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山大桑元华教授、刘宏教授与北大邢国刚教授《Adv. Mater.》 :羟基磷灰石纳米材料加快神经分化与神经元发育

化学与材料科学 化学与材料科学 2022-09-01

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引言


世界卫生组织预测,到2040年,神经退行性疾病将会取代癌症,成为人类第二大致死性疾病。神经干细胞(NSCs)移植是治疗神经退行性疾病最有前景的方法之一。然而,NSCs自发分化缓慢,阻碍了其在神经修复中的应用。虽然一些生物生长因子加速了NSCs的分化,但其成本高、半衰期短以及手术的复杂性阻碍了其临床应用,目前急需安全有效的方式用于实现对NSCs命运的调控。


成果简介



有鉴于此,山东大学桑元华教授,刘宏教授和北京大学邢国刚教授(共同通讯作者)将羟基磷灰石(HAp)这一常见的骨修复材料,首次应用于调控NSCs命运,促进NSCs神经分化以及神经元的成熟。研究合成了尺寸均一,适合细胞胞吞的HAp纳米棒,作为一种无机生长因子,HAp纳米棒具有良好的生物相容性,该纳米材料富含对NSCs命运调控具有重要作用的钙离子,而且具有无机材料的缓释和长效优势。实验结果显示,HAp纳米棒可以促进NSCs向神经元分化以及成熟,使得NSCs在分化5天内成为表现出明确电生理行为的成熟神经元,这种方法明显优于之前需要两周甚至更长时间的自然分化。通过基因测序探讨了HAp通过胞吞和黏附两种途径发挥作用的机制。相关研究成果以“Hydroxyapatite nanorods function as safe and effective growth factors regulating neural differentiation and neuron development”为题,发表于国际著名期刊Advanced Materials (IF=30.849)上,并于获评Front Cover文章。山东大学博士研究生郝敏为本文第一作者。


在此基础上,桑元华教授和刘宏教授(共同通讯作者)探讨了不同尺寸的一维HAp纳米结构材料对神经干细胞分化的不同调控作用。该研究成果以“Synergistic effect of endocellular calcium ion release and nanotopograpy of one-dimensional hydroxyapatite nanomaterials for accelerating neural stem cell differentiation”为题发表在期刊Composites Part B: Engineering (IF=9.078)上,山东大学硕士研究生何建龙和博士研究生郝敏为共同第一作者。


图文导读


 

图1材料表征及生物相容性。(a) HAp纳米棒TEM;Scale bars, 50 nm. (b) HAp纳米棒HRTEM;Scale bar, 5 nm. 插图为FFT图;(c) HAp纳米棒XRD;插图为实物图;(d) 不同浓度HAp纳米棒培养NSCs 48h后活/死染色;Scale bar, 200 mm. (e) 不同浓度HAp纳米棒培养NSCs 48h后的细胞存活率;(f) CCK-8检测;(g) F-actin, nestin免疫荧光染色;(h) HAp预期作用说明。


图2:mRNA和蛋白表达分析。(a) 神经特异性基因RT-qPCR分析;(b, c) NSCs培养10天后特异性标志物Tuj1和GFAP蛋白免疫荧光染色及平均荧光强度分析;(d, e) NSCs培养13天后特异性标志物Tuj1和MAP2蛋白免疫荧光染色及平均荧光强度分析;Scale bars, 30 mm (b, d). (f, g) Tuj1+, GFAP+,以及 MAP2+ 细胞比例;(h) NSCs培养10天和13天后的Sholl分析。

 

3NSCs与HAp纳米棒相互作用细节分析。(a)对特异性基因进行不同时间点RT-qPCR表达追踪;(b, c)NSCs-SEM分析;Scale bars, 8 mm (the scale bars of the inset is 20 mm). (d)电生理分析;(e, f) NSCs培养5天后特异性标志物Tuj1和MAP2蛋白免疫荧光染色;(g, h) NSCs培养5天后特异性标志物MAP2和GFAP蛋白免疫荧光染色。Scale bars, 50 mm (e–h). 


4NSCs与HAp纳米棒的位置关系。(a, b) 细胞TEM; Scale bars, 1 mm (the scale bars of the inset is 5 mm). (c) 不同时间点溶酶体, Tb:HAp 成像;Scale bar, 20 mm. (d)位置关系原理图。 

 

5机理分析。(a) 差异基因热图;(b) RT-qPCR 验证;(c) 差异基因相互作用网络;(d) Top 30通路富集情况;(e) GO 分析;(f) 机理解释。


 6体内NSCs存活以及分化。(a) 细胞封装以及皮下注射示意图;(b) H&E染色; Scale bars, 20 mm. (c) 特异性标志物Tuj1, GFAP, 和MAP2表达分析。Scale bars, 30 mm.


小结



这项研究评估了无机纳米材料HAp纳米棒促进NSCs分化和成熟的潜力。通过分析神经特异性基因和蛋白的表达,证实了HAp纳米棒对NSCs命运的调控作用。电生理分析也探测到来自成熟神经元的动作电位,表明HAp纳米棒促进了NSCs向成熟和功能神经元的分化。通过分析NSCs和HAp的位置关系以及基因测序,HAp纳米棒促进NSCs分化和神经元成熟的机理被分析。此外,证明了在体内给mNSCs使用HAp纳米棒能够促进NSCs的存活和向神经元分化。因此,HAp纳米棒对NSC分化和成熟的强大影响表明HAp是神经修复;缓释长效治疗的理想候选药物。


近年来,团队充分发挥山东大学重点实验室材料学科优势,致力于医工交叉生物材料的研究,包括生物支架材料(Nanoscale 20168, 1897-1904),纳米材料(Small 2019, 15, 1905001)等。研究材料结构特性对干细胞分化的影响(Nano Lett. 2018, 18, 4, 2243-2253; Small 2016, 201503946),讨论功能材料介导的物理信号对干细胞分化的调控作用(Nano Energy 2021, 87, 106192, 物理信号介导的免疫调节(Adv. Sci. 2021, 8, 2100962)等。相关工作的开展,有望从材料、材料物理的角度为医学问题提供参考的解决思路。


作者简介

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桑元华山东大学晶体材料研究院教授,博士生导师。主要从事纳米能源转化材料的研究、铌酸锂晶体生长及应用研究、以及生物组织工程材料及干细胞分化相关的研究。作为项目负责人承担了包括重点研发专项-政府间科技合作项目、山东省杰出青年基金、山东省重大创新工程项目、青年自然基金项目和博士后项目等,作为第一作者或者通讯作者在包括Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., 等国际重要学术期刊上发表41篇,其他合作文章60篇,EIS高被引论文11篇,个人H因子37,获得发明专利授权16项。


邢国刚教授,博士生导师,北京大学神经科学研究所副所长。主要研究慢性痛,揭示疼痛慢性化及共病焦虑抑郁的外周与中枢机制。2003年至今于北京大学神经科学研究所历任讲师(2003年)、副教授(2004年)、教授(2013年)。主持和参加包括国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家重点基础研究发展计划(“973”计划)课题、国家重大科研仪器研制项目、国家重点研发计划项目、国家卫健委行业专项基金、国防科技创新特区项目等多项国家级与省部级课题,在Molecular Psychiatry, The Journal of Neuroscience, Pain, Science Signaling等国内外学术期刊上发表研究论著90余篇。参加编写国家卫健委“十三五”规划教材《生理学》及《康复生理学》(人民卫生出版社)等教材和专著8部。获得北京市自然科学奖二等奖(2019年)、北京市科学技术奖二等奖(2012年)和中国针灸学会科学技术奖二等奖(2010年)等奖项。


刘宏山东大学晶体材料国家重点实验室,济南大学前沿交叉科学研究院,教授,博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者。主要研究方向:生物传感材料与器件,组织工程与干细胞分化、纳米能源材料,等。十年来,主持了包括十五、十一五、十二五863、十三五国家重点研发项目和自然基金重大项目、自然基金重点项目在内的十余项国家级科研项目,取得了重要进展。在包括Adv. Mater., Nano Letters,ACS Nano,J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater,Envir. Eng. Sci., 等学术期刊上发表SCI文章400余篇,总被引次数超过20000次,H因子为67,30余篇文章被Web of Science的ESI(Essential Science Indicators)选为 “过去十年高被引用论文”(Highly Cited Papers (last 10 years)),文章入选2013年中国百篇最具影响国际学术论文,2015和2019年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。2018,2019,2020年连续三年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。授权专利30余项,研究成果已经在相关产业得到应用。2019年获山东省自然科学奖一等奖。


相关链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202100895

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836821003322?dgcid=author


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