康涅狄格大学陈宇鹏教授团队《ACS AMI》封面：可注射自组装仿生纳米基质精确调控干细胞行为并维持微环境稳态

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具有分化潜能的间充质干细胞与组织工程支架材料现已被广泛联合用于组织损伤的临床治疗研究中。为了更好的调节间充质干细胞的功能，转化生长因子等活性蛋白常被引入到组织工程支架的构建当中，用于模拟天然组织的细胞外基质生化微环境。然而对于没有经过在分子水平上特殊设计的支架材料而言，活性蛋白分子通常都以较为松散的形式分布于支架中，容易泄漏到周围环境中产生副作用。蛋白的泄露也会导致生物支架活性的快速降低，无法长期地为干细胞提供稳定的生长及分化环境。

康涅狄格大学生物医学工程系陈宇鹏副教授（Associate Professor Yupeng Chen，Biomedical Engineering Department，University of Connecticut）、博士后周丽波及团队其他成员开发了一种可注射的仿生纳米基质 (NM)，在分子水平上实现了对仿生纳米材料及活性蛋白的可控组装。此纳米基质是由仿生DNA小分子单体形成的纳米管 (JBNTs)、软骨外基质活性蛋白matrilin-3 以及转化生长因子 TGF-β1 通过非共价作用力及生物亲和力逐层组装而成。JBNT 作为仿生纳米基质的主链，形态上仿生胶原蛋白的天然螺旋结构，位于螺旋外侧的氨基酸亲水侧链可为活性蛋白提供结合位点。促软骨生成生长因子 TGF-β1 被包裹在纳米基质束的内层，可与JBNT及matrilin-3相互作用，形成稳定结构。三者之间的作用力不仅有利于维持TGF-β1的空间结构，更可以有效地阻止其泄露。Matrilin-3 位于纳米基质外层以创建模拟软骨外基质的微环境并用于维持组织稳态。该仿生纳米基质通过分子自组装生成了高度有序的新型支架结构，可为干细胞提供锚定位点，精确调控干细胞分化方向，有效降低活性生物分子的泄露进而构建稳态微环境。实验结果显示，仿生纳米基质不仅能显著增加间充质干细胞的黏附（图2），促进干细胞增殖（图3）, 还能在调控间充质干细胞向软骨细胞分化的同时阻止其进一步成骨化（图4），在治疗软骨损伤方面有很大的应用前景。

图1.仿生纳米基质结构示意图
 
图2. 人间充质干细胞黏附行为分析. (a) 与不同材料共培养的间充质干细胞光学成像图片。 (b) 与不同材料共培养的间充质干细胞荧光共聚焦成像图片。 (c) 黏附细胞数量统计分析 。(d) 黏附细胞形态统计分析. 
图3. 人间充质干细胞与不同材料共培养后细胞增殖情况统计分析。

图4. 3D 培养体系中仿生纳米基质调控人间充质干细胞分化的实时荧光定量 PCR及免疫染色分析. (a−d) 与不同材料共培养15天后实时荧光定量PCR评估软骨形成标记物 (aggrecan, a; COL2A1, b) 及软骨细胞肥大标志物 (COL10A1, c; IHH, d) 的表达量。（e）CoLX 型胶原蛋白表达的免疫荧光染色分析。 
相关成果以“Controlled Self-Assembly of DNA-Mimicking Nanotubes to Form a Layer-by-Layer Scaffold for Homeostatic Tissue Constructs” 为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces (2021, 13, 43, 51321–51332)上，并被选为封面文章, 康涅狄格大学生物医学工程系博士后周丽波为文章第一作者，康涅狄格大学生物医学工程系陈宇鹏副教授（Associate Professor Yupeng Chen，Biomedical Engineering Department，University of Connecticut)为文章通讯作者。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c13345

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