基于树枝状结构的新型细胞外基质(ECM)模拟物

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图1. (a)水凝胶结构示意图; (b)水凝胶外观图; (c)细胞在水凝胶中培养后的DAPI–actin染色图。

水凝胶具有亲水的交联网络,其形成的水环境与细胞所处生理环境非常接近。近年来利用水凝胶模拟细胞外基质(extracellular matrix,ECM)并应用到骨修复中的研究受到广泛关注。天然生物分子的生物相容性好,但分子的可修饰性和机械性能较差,这使其应用受到了限制;合成高分子,如聚乙二醇虽可通过控制分子量和改性等方法调节材料的性质,然而其促进细胞生长和分化的效果不理想,且由于细胞在该类材料中易发生团聚现象,因而会导致细胞死亡。因此,构建性能优异具有应用前景的水凝胶,是利用水凝胶模拟细胞外基质研究中的挑战性课题。

北京大学化学与分子工程学院贾欣茹教授课题组多年来致力于树枝状分子的生物医用研究。该课题组与重庆医科大学杨生博士课题组合作,首次利用具有良好生物相容性和外围多官能团的聚酰胺-胺(PAMAM)树枝状分子,与传统的可降解共聚物—聚乳酸/聚乙二醇(PEG-LA-DA)结合,构建了在分子层次上具有岛屿状交联网络结构的新型水凝胶。该水凝胶具有易降解,低溶胀,机械强度高,生物相容性好等特点,相关骨修复研究结果显示,细胞所表达出的与骨分化增殖有关的基因均得到提高。该研究结果发表在Advanced Materials期刊(Adv. Mater. 2014, 26, 4163)。第一作者为博士研究生王尧。

第四代PAMAM分子外围有64个氨基,可同时修饰光交联位点以及具有细胞粘附性的多肽。该课题组将精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸-D-酪氨酸-半胱氨酸结构的肽链(RGDyC)和丙烯酰基修饰于PAMAM树枝状分子(AGPR)外端,进一步与末端为丙烯酸酯结构的线性共聚物(聚乳酸/聚乙二醇, PEG-LA-DA)进行光交联以形成水凝胶。相对于线性分子,树枝状分子的多交联点从分子层次上可形成更加致密的凝胶网络,显著地降低了水凝胶的溶胀性质并有效地提高了水凝胶的机械性能。观察发现,水凝胶网络内部呈现出不同尺度的孔状结构,其对应的大孔尺寸在20-50μm,小孔结构约5μm大小。据报道,多尺度孔状结构利于细胞在凝胶内部的生存,不同尺度的空间环境有益于细胞生长,分裂及物质输送。相关细胞测试表明,与线性分子水凝胶相比,将骨髓间质干细胞(mMSCs)在该水凝胶中进行三维细胞培养,其细胞所表达出的与骨分化增殖有关的基因,如碱性磷酸酶(ALP)、成骨相关转录因子(OSX)、甲状旁腺激素受体1(PTH1R)等均有大幅提升。

由于树枝状分子具有空腔结构和多官能团,易于进行分子的包裹和修饰。在未来的工作中,该课题组将进一步尝试利用树枝状分子包裹促细胞生长的生长因子或多肽等分子,以实现对细胞的增殖分化更精准的调控;深入研究树枝状分子与不同线性分子复配所形成的水凝胶,以构筑更适宜生物工程应用的细胞外基质模拟材料。