华东理工大学刘润辉教授JACS封面: 在生物材料表面调控细胞行为研究的最新成果

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医用生物材料植入体内与肌体反应首先发生在材料表/界面，因此，材料表/界面如何调控细胞行为是生物材料研究领域的基础和核心科学问题，也是研究和发展活性生物材料的关键。源于生命体的功能多肽已经被广泛用于生物材料表面修饰、进行细胞行为调控和获得生物活性材料。但是，细胞非特异性粘附阻碍了这些多肽的发现、功能研究和展示。很多研究者已经意识到了这个问题，并广泛使用聚乙二醇（PEG）作为材料表面抗污层并进一步接枝功能多肽，但是，长期以来PEG链长对于展示多肽功能的影响仍不明确。

针对以上问题，华东理工大学刘润辉教授课题组深入研究并建立普适性生物材料表面活性修饰方法，同时阐释了PEG链长的选择对于生物结果的影响及原因，最终发现中等链长（OEG8）能够极大的降低材料表面背景干扰、并能充分展示多肽的功能。这一关键科学问题的解决, 为高效的筛选功能分子以及研究其与细胞的相互作用提供了基础和平台。该研究成果以题为“Impact of Antifouling PEG Layer on the Performance of Functional Peptides in Regulating Cell Behaviors”发表在《JACS》上，并被选为封面文章。

Figure 1. Cell adhesion studies indicate OEG8 as an excellent antifouling layer to demonstrate the genuine and optimal function of cell-selective CAPs.

首先，选用常见的具有细胞选择性的粘附功能多肽（CAP,例如KRSR,YIGSR和VAPG）来研究它们对于成骨细胞，内皮细胞，平滑肌细胞的选择性粘附效果，他们发现只有中等链长的PEG（OEG8）才能最大程度的发挥CAP的特异性细胞粘附作用。

Figure 2. Study on how the antifouling PEG layer affect the genuine function of CAPs.

为了探索其中的原因，论文进一步研究了表面蛋白吸附和表面的多肽接枝密度。发现较短链长的PEG虽然可以达到较高的多肽接枝密度，但是对于蛋白吸附的抵制能力较差，蛋白在其上面的非特异性吸附导致了细胞的非特异性粘附，也阻碍了多肽与细胞的相互作用。长链的PEG虽然可以获得较好的抗污效果，将背景降到最低，但是由于长链PEG自身的接枝密度比OEG4和OEG8低，而且冗长的链段可能导致端基的活性位点被包埋，多肽接枝密度明显降低，可能严重影响多肽功能的发挥。

Figure 3. ECs and SMCs migration on YIGSR-modified surfaces indicate OEG8 as an excellent antifouling layer to demonstrate the genuine and optimal function of EC-selective YIGSR peptide.

接下来，通过能特异性识别内皮细胞（EC）的YIGSR多肽在细胞迁移实验中进一步验证。发现在OEG4表面接枝YIGSR的效果仍然不理想，未能展示YIGSR应有的EC选择性；中等链PEG连接的YIGSR对EC细胞迁移速率最大，充分展示了YIGSR应有的EC选择性。这与细胞粘附的结论一致，OEG8能够充分体现多肽功能。

Figure 4. BMSCs differentiation on RGD peptide-, BMP-2 peptide-, and RGD/BMP-2 dual ligand-modified surfaces indicate OEG8 as an excellent antifouling layer to demonstrate the genuine and optimal function of BMP-2 peptide in modulating stem cell differentiation.

最后，研究RGD（细胞粘附多肽）和BMP-2多肽（促成骨分化多肽）同时接枝的表面，使用“dual-ligand”模型，协同促进骨髓间充质干细胞（BMSC）的成骨分化。发现使用OEG4作为抗粘附层不能充分展示两个不同功能多肽的协同效应，并且由于血清蛋白的吸附，影响BMP-2多肽与细胞作用。而用OEG8作为抗粘附层，能够优化的展示“dual-ligand”促进细胞粘附和干细胞定向分化的理想功能。

此论文通过细胞粘附、迁移和定向分化分别研究和展示了中等长度的PEG抗粘附分子（OEG8）对于最优化的展示多肽本真功能的重要性。这个围绕生物材料表/界面中的核心科学问题的研究，为理解和调控多肽与细胞的相互作用提供科学基础，也为高效筛选新的功能多肽、并应用于生物材料和组织工程等相关领域提供了优化的技术平台。

该论文的第一作者为华东理工大学研究生陈琦，通讯作者为华东理工大学刘润辉教授，研究得到合作者浙江大学高长有教授、毛峥伟教授和于珊博士的大力支持。该研究得到科技部、国家自然科学基金委等基金的资助。

论文链接:  

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.9b07105

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