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香港中文大学边黎明教授课题组:磁控细胞整联素与配体互动的创新纳米平台
2017-09-14 来源:中国流变网    点击次数:937次    

  做人要脚实地,那么细胞生活在材料界面上又如何? 

  人类干细胞能够感受细胞外基质的物理因素,并因此而调节细胞内部的基础生理现象 ,此为再生医学及生物材料的设计奠定基础。近年不少文献设计不同材料表面的黏附配体的表达性来调控细胞感受到的外部环境,如光学性 (紫外线、近红外线等),化学性(电化学,超分子结构操控)及生物学性(如酶的应用)等手段,令其整合为细胞内的物理化学信号,通过信号的传递和转导最终改变细胞的功能和相关基因表达。可是,综合以上的手段都有一定机率直接或间接地干涉细胞生理上的反应,令其研究的各种因素不能完全排除以上附加的影响性,故一个非极端的磁控的平台能符合不干涉细胞又能轻易穿透材料以控制内部反应的条件。

  香港中文大学生物医学工程系边黎明教授课题组首次透过聚乙二醇 (PEG) 链把载有整联素配体 (RGD) 超顺磁性纳米粒子 (MNP) 修饰在材料的平面上,因此能简单并无接触地利用动/静态磁场控制黏附配体的微观尺度的动态呈现,及其与细胞整联素的作用,从而进一步有效调节了人骨髓间充质干细胞(hMSCs)于材料表面上的黏附性、铺展性及骨分化性,此材料更被殖入了老鼠皮下进行研究并得到与平面研究的相似结果,证明其应用性适用于体内。这些发现对生物材料表面的设计提供了有益的参考。

图1. 透过特长而柔韧的PEG链连载有RGD的MNP到基质上,MNP受着磁场吸力(+Mag)下,限制了RGD的链接移动性。没有磁场吸引(-Mag)RGD则有着高度移动性

图2. 研究结果的概括图。a) -Mag令载有RGD的MNP有着高度链接移动性,hMSCs因此没有稳定的黏附状态,不利力学信号的传递和转导。b) +Mag则限制RGD的移动性,促使hMSCs稳定地黏附在表面上,有利形成黏合斑和力学信号的传递和转导

  如图1-2所示,受磁力吸引下,系链柔软度会大大降低,细胞便能「踏实」地黏附在表面上,促进生成黏合斑和F-肌动蛋白,达到良好铺长并提高物理力学的传递和转导,有利于骨分化;高系链柔软度则反之亦然。


图3. 动态磁场控制hMSCs黏附配体与整联素的互动振幅频率,0.1 Hz 促进黏附等稳定性,2 Hz或以上的振幅频率则会抑制其效果

图4. 动态磁场控制巨噬细胞的黏附配体与整联素的互动振幅频率,0.1 Hz 能有效地诱导其M2的极化,2 Hz或以上的振幅频率则会令其向M1的极化

  在动态方面,因利用了动态磁场而控制黏附配体与整联素的互动振幅频率,其研究展示振幅频率为0.1 Hz竟有利于上述的细胞-材料界面的黏附、等特性,2 Hz或以上的振幅频率则会抑制其效果(图3)。随后此动态纳米平台更应用于巨噬细胞的极化与黏附配体振幅频率的关系,并发现低频率(0.1 Hz)能诱导巨噬细胞趋向于M2极化,高频率(≥2 Hz)则有利M1的极化,其结果在体外和体内皆相同(图4)。此创新的磁控纳米平台对研究细胞与材料表面的相互作用提供了简单有效的工具。

  相关结果皆于2017年分别发表在a) Nano Letters,以边黎明教授课题的博士生王兆康和博士后黎锦明为共一作者;b) ACS Nano ,以博士后 Heemin Kang和博士生王兆康为共一作者;及c) Nano Letters,以博士后Heemin Kang和西北大学(North Western University) Vinayak Dravid授课组的博士后Sungkyu Kim共一作者。

  论文详见:

a) +Wong, S.H.D.; +Li, J.; Yan, X.; Wang, B., Zhang, L.; *Bian, L. Magnetically tuning tether mobility of integrin ligand regulates adhesion, spreading, and differentiation of stem cells. Nano Letters, 2017; 17 (3), 1685-1695 

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b04958

b) +Kang, H.; +Wong, S.H.D.; Yan, X.; Jung, H.J.; King, S.K.; Lin, Si.; Wei, K.; Li, G.; *Dravid, V.; *Bian, L. Remote control of multi-Modal nanoscale ligand oscillations regulates stem cell adhesion and differentiation". ACS Nano, 2017 August

http://europepmc.org/abstract/MED/28841292

c) +Kang, H.; +Kim, S.; Wong, S.H.D.; Jung, H.J.; Lin, Si.; Zou, K.; Li, R.; Li, G.; *Dravid, V.; *Bian, L. Remote manipulation of ligand nano-oscillations regulates adhesion and polarization of macrophages in vivo. Nano Letters, accepted, 2017 September

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b03405


边黎明教授课题组简介:

  边黎明教授课题组长期致力于生物材料与组织工程的相关研究。以透明质酸、明胶等天然高分子为基础,开发了一系列具有良好力学性能和生物兼容性的功能化水凝胶,亦关注了水凝胶的生物活性及其在再生医学中的重要应用。与此同时,课题组基于多种纳米材料,研发了用于基因/药物传递和分子成像的新体系,在调控干细胞分化和研究细胞-材料相互作用等领域取得诸多新进展。近期代表性工作有:

  • Zhang, K.; et. al. Self-assembled injectable nanocomposite hydrogels stabilized by bisphosphonate-magnesium (Mg2+) coordination regulates the differentiation of encapsulated stem cells via dual crosslinking. Advanced Functional Materials. 2017, June.

  • Feng, Q. et. al. Mechanically resilient, injectable, and bioadhesive supramolecular gelatin hydrogels crosslinked by weak host-guest interactions assist cell infiltration and in situ tissue regeneration. Biomaterials, 2016.

  • Wei, K. et. al.  Robust biopolymeric supramolecular “Host-Guest Macromer” hydrogels reinforced by in situ formed multivalent nanoclusters for cartilage regeneration. Macromolecules,2016.

  • Zhu, M. et. al.  Hydrogels functionalized with N-cadherin mimetic peptide enhance osteogenesis of hMSCs by emulating the osteogenic niche. Biomaterials, 2016.

  • Li, J. et. al. Photo-controlled siRNA delivery and biomarker-triggered AIEgen emission by upconversion NaYF4:Yb3+Tm3+@SiO2 nanoparticles for inducing and monitoring stem cell differentiation. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017.

  • Xu, J. et. al. Nanocarrier-mediated codelivery of small molecular drugs and siRNA to enhance chondrogenic differentiation and suppress hypertrophy of human mesenchymal stem cells. Advanced Functional Materials. 2016.

  • +Xu, Y. et. al. Preserving the adhesion of catechol-conjugated hydrogels by thiourea-quinone coupling. Biomaterials Science, 2016,

  • Choi, C.K.; et. al. Substrate coupling strength of integrin-binding ligands modulates adhesion, spreading, and differentiation of Human mesenchymal stem cells. Nano Letters, 2015 Oct.

  边黎明教授课题组主页:http://www.bme.cuhk.edu.hk/lbian/

 
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