病毒纳米粒子介导骨髓间充质干细胞的成骨分化

细胞能够感知外界环境,并与生物材料发生相互作用,引起一系列基因和蛋白质表达的变化。近年来,许多科学研究发现材料的表面拓扑形貌可以影响细胞的生物学行为,比如利用不同的表面拓扑形貌可以诱导细胞骨架的重构,并能够调控细胞的贴附、生长、分化及凋亡。因此,深入研究细胞与微纳米尺度拓扑形貌之间的相互作用机理对于组织工程领域具有重要的意义。但现有的表面加工技术很难在大尺度范围内对材料表面的纳米级拓扑形貌进行严格的调控。

植物病毒纳米粒子具有规整的三维纳米结构,尺寸单一分散,其表面可通过化学偶联和基因修饰的手段连接多种功能性分子,并可以控制功能基团的空间分布,因此可以用作构筑单元制备具有特定结构性能的新型材料并应用于电子器件、传感器、基因/药物传输、生物成像和疫苗开发等领域。在组织工程领域,植物病毒纳米粒子独特的三维纳米结构为研究细胞与材料微纳米拓扑形貌之间的相互作用机理提供了理想的模型。

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南卡莱罗纳大学化学与生物化学系王倩教授及其研究团队利用植物病毒纳米粒子制备了具有纳米尺度拓扑形貌的二维基底,对骨髓间充质干细胞(BMSCs)的成骨分化行为进行详细研究并取得了重要进展。作者采用静电层层沉积技术,在正电荷的聚赖氨酸(PDL)表面分别吸附上具有不同形貌的植物病毒纳米粒子,其中包括棒状病毒-烟草花叶病毒(TMV)和芜菁脉明病毒(TVCV),纤维状病毒-马铃薯X病毒(PVX),球形病毒-芜菁黄花叶病毒(TYMV)和豇豆花叶病毒(CPMV)。在植物病毒纳米粒子的基底上培养BMSCs,通过基因表达和免疫荧光成像检测BMSCs成骨分化的特异性标记物-骨形态发生蛋白-2(BMP2)、骨钙蛋白和骨桥蛋白发现,相比于PDL和CPMV基底而言,TMV、TVCV、PVX和TYMV基底更加有利于BMSCs的成骨分化,伴随成骨分化过程的碱性磷酸酶活性和钙矿化程度也均高于在PDL和CPMV基底上培养的细胞。同时,培养在TMV、TVCV、PVX和TYMV基底上的BMSCs,其粘着斑的尺寸明显小于培养在PDL和CPMV基底上的细胞,细胞形态呈伸长状,并伴随着沿细胞长轴方向上细胞骨架张力的增加。研究结果表明,由TMV、TVCV、PVX和TYMV制备的纳米拓扑形貌会导致BMSCs粘着斑尺寸变小及细胞骨架张力增加,这可能会增加细胞的运动能力,从而有利于形成细胞聚集体并诱导BMSCs发生成骨分化,这也是纳米拓扑形貌影响BMSCs成骨分化的主要机制。但是,植物病毒纳米粒子自身的形貌对于BMSCs的成骨分化行为并没有显著影响。该工作为其他类型的基底材料如聚合物、金属合金和生物陶瓷等在组织工程领域的临床应用提供了重要的参考价值。相关结果在线发表在Advanced Science杂志上(Adv. Sci. 2015, DOI: 10.1002/advs.201500026)

相关工作得到了美国国家科学基金会(US NSF CHE-1307319)和南卡莱罗纳大学的资助。