纳米技术在干细胞研究中的应用与展望（一）
【编者按】纳米医学是将纳米科学与技术的原理和方法应用于医学领域的一门学科。随着纳米医学高速发展，纳米技术已然渗透到医学领域的诸多方面，其中纳米技术与干细胞结合已成为研究的热点。本报将开设纳米技术与干细胞专栏，围绕纳米技术在干细胞移植中的成像示踪、纳米技术调控干细胞增殖与分化、干细胞组织工程支架、干细胞作为纳米材料的载体在肿瘤相关疾病的应用、纳米材料和干细胞结合治疗慢性疾病等研究热点领域，分六期进行系列报道，系列一主题为《纳米技术在干细胞研究中的应用与展望》。
纳米技术作为21世纪三大新兴技术之一，是用单个原子、分子制造物质的科学技术。它研究结构尺寸在1~100纳米范围内材料的性质和应用，可广泛用于多个领域，如化学、物理学、材料科学、工程学和生物医学。干细胞是一类具有多向分化潜能和自我复制能力的未分化细胞，在一定条件下，干细胞能够分化为多种功能细胞从而形成所需要的组织和器官。用干细胞及其衍生组织器官，来替换自身病变或衰老的组织器官，已经成为临床医学中最引人注目的全新医疗技术。尽管干细胞研究已经展现出广阔的临床应用前景，但其依然面临诸多挑战，例如受体免疫排斥反应、移植干细胞长期固着及存活、干细胞增殖分化的分子机制与其微环境调控、干细胞定向分化发挥特定功能等关键问题亟待解决。因此，迫切需要引入新技术以突破干细胞研究面临的瓶颈，从而推动干细胞医学及其相关产业的发展。
干细胞纳米技术，是指基于纳米技术与干细胞技术两大前沿科技领域，迅速发展并逐渐形成的一个新兴生物医学研究方向。无论在理论或实验科学研究中，纳米技术与干细胞技术之间相互协同作用已经得到了有效验证。科学家们一致认为纳米材料或纳米技术可助力以干细胞为基础的再生医学发展，为干细胞研究和发展提供了新契机。目前，基于纳米技术的干细胞研究主要集中在以下四个方面：纳米材料作为示踪剂用于干细胞标记与示踪、纳米材料作为生物支架调控干细胞增殖与分化、纳米材料作为分选剂用于干细胞分离与纯化、纳米材料作为载体用于干细胞转染或药物递送。
图：纳米材料与干细胞之间的相互作用
纳米材料与干细胞之间的相互作用：纳米材料的物理和化学性质（形貌、尺寸、表面电荷、拓扑结构以及化学成分）均对不同组织来源的干细胞产生差异性影响。
纳米材料作为示踪剂用于干细胞标记与示踪
观察移植干细胞在体内的生物学行为（迁移、分布、归巢及其存活等），急需发展可以对移植干细胞进行原位示踪的活体影像技术，对于干细胞移植效果、干细胞治疗方案优化、干细胞的基础研究及其临床转化都具有重要意义。随着纳米技术的发展，功能化纳米材料的标记技术为干细胞示踪提供了新手段。目前，磁纳米颗粒、量子点为应用于干细胞标记与成像最常见的纳米材料。其一，新型超顺磁性氧化铁纳米颗粒作为磁共振对比剂，利用磁共振成像活体细胞示踪已经逐渐成为干细胞研究的重要技术，充分利用了磁共振成像具有较高时间分辨率和空间分辨率、无放射性损害的特点。其二，量子点作为一类新型荧光标记材料，在活体组织中具有更少的组织吸收和散射以及更低的组织自发荧光特性，可大大提高荧光成像的组织穿透深度和空间分辨率。
纳米材料作为生物支架调控干细胞增殖与分化
干细胞是自我复制还是分化为功能细胞，主要由细胞本身的状态和微环境所决定。其中微环境因素包括干细胞与周围细胞、干细胞与外基质、干细胞与各种可溶性因子的相互作用。纳米材料模拟干细胞微环境具有独特优势，如尺寸与形貌可控、比表面积大、表面化学基团丰富以及生物相容性好。越来越多的证据表明，纳米材料可促进干细胞的增殖和分化。此外，利用纳米材料模拟细胞外基质的三维形态结构，将干细胞接种在纳米载体材料上构成三维的细胞-载体复合体，有利于干细胞在纳米载体上的黏附、迁移、增殖及分化。
纳米材料作为分选剂用于干细胞分离纯化
分选剂用于干细胞分离纯化如何从成分混杂的异质性细胞悬液中快速、高效地分离获得单一类型干细胞成为临床治疗的关键。目前，分离细胞的方法主要有密度梯度离心技术、流式细胞分选术、免疫磁珠分离法等。纳米材料有优异的物理响应性，可做为分选剂用于细胞分离纯化。其中，免疫磁珠分离法，是当前在生物分子分析与细胞分离领域中一项重要的纳米技术，其原理是把细胞用超级顺磁性的磁珠特异性地标记，在外加磁场的吸引下，依据其在磁场中的磁感应特性完成目标细胞的分离与富集。免疫磁珠分离法是一种高效简捷的细胞分离纯化方法，已成功应用于干细胞的分离，其能够分选出足够量、活性好、纯度高的干细胞用于科学研究或者临床治疗。
纳米材料作为载体用于干细胞转染或药物递送
基因转染是研究干细胞基础生物学及促进干细胞定向分化的主要方法之一，常见两类载体为非病毒载体与病毒载体。纳米材料作为一类新型非病毒载体，具有低毒、低免疫原性、材料来源广泛，化学结构可控且易于大量制备等优势，已初步用于干细胞的定向分化研究。目前，新型非病毒纳米载体常用的有聚合物、脂质体、二氧化硅、磁性纳米材料等。研究表明，纳米载体通过递送RNA/DNA、蛋白质、生长因子或其他小分子物质进入不同类型的干细胞中，进而可调控干细胞定向分化为特定类型细胞用于基础研究或临床应用。
总结与展望
近年来，纳米技术在干细胞中的应用取得了长足进步，尤其在调控干细胞增殖和分化、成像与示踪等领域，并逐渐形成一个新兴的跨学科领域：干细胞-纳米技术。干细胞纳米技术如同任何新兴领域一样，也面临着诸多困难与挑战。例如，纳米材料与干细胞相互作用的机理尚不清楚；纳米材料和纳米结构如何影响干细胞功能；纳米材料在干细胞内或机体内如何代谢；如何制造利用新型的、多功能、均质的纳米材料。尽管干细胞纳米技术的研究面临着诸多难题，但其在再生医学领域潜在的应用前景已引起高度关注。随着纳米技术与干细胞技术自身不断发展，基于纳米技术的干细胞研究将会更加深入，也将为干细胞的治疗与再生医学提供一种新的思路与策略。
（同济大学医学院，同济大学附属东方医院成昱冯其帅报道）
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同济大学医学院教授、上海市东方医院纳米医学应用技术研究所执行所长、美国西北大学医学院兼职助理教授，为国家青年千人、上海市浦江人才。长期从事于纳米药物的转化医学研究，包括磁性复合材料、无机纳米材料与高分子材料的可控制备、干细胞介导纳米药物输送及其转化医学应用等领域。在利用先进的纳米药物传递系统方面具有多年的积累，在国际上较早利用纳米材料实现脑肿瘤的靶向治疗研究。相关工作发表在Adavanced materials、 Journal of the AmericanChemical Society、 Advanced science、 Advanced Drug Delivery Reviews、Biomaterials和Small等国际著名学术期刊。科研成果被国际同行广泛认可，包括Chemical &、 Engineering News、Yahoo、 ScienceDaily、Medical News Today、LabTV等在内的20多家国际知名媒体对创新成果多次详细报道。