Advanced Healthcare Materials:通过调节水凝胶的可降解性调控神经祖细胞的命运发展

将神经祖细胞(NPCs)递送到神经系统损伤部位是恢复神经功能的一种很有前景的方法。NPC是一种多能细胞,可以分化成中枢神经系统中的成熟功能细胞类型,例如神经元和少突胶质细胞。因此,NPC具有一种潜在治疗作用,可以通过移植以替换受损或患病的组织。NPC也将可溶性信号因子分泌到组织微环境中,用来调节神经发育和修复损伤后的组织。因此,移植的NPC也可以充当“活体药物仓库”,释放出可以指导天然组织再生的化学因子。

任何基于细胞的疗法中的主要挑战是,确保细胞在增殖过程以及植入给患者后表现出预期的行为。基于具有可调节生化和生物物理特性的水凝胶的生物材料平台可以在指导细胞命运方面发挥重要作用。

斯坦福大学的Sarah Heilshorn及其同事研发了一种由工程蛋白组成的水凝胶材料,该材料能够同时调节其重要的材料特性,包括基质刚度、细胞介导的降解性和细胞粘附性。在这些材料中培养NPC时,作者注意到响应水凝胶降解性的细胞行为发生了显著变化。如果NPC可以通过细胞产生的蛋白酶降解并重塑水凝胶,则NPC会在数量上显著增加,同时保留干细胞表型的标志物的表达。相反,在难降解凝胶中的NPC不会产生明显的增殖。

经过进一步的研究发现,细胞核大小和形状的变化与基质的可降解性相关,这表明可降解性的变化可以调节NPC存储和访问其遗传信息的方式。在具有高可降解性的水凝胶中观察到NPC具有的更大的核,同时干细胞中活性基因转录的特征性蛋白质的标记水平也更高。相反,低降解性水凝胶中的NPC具有较小的核,由无转录活性DNA的紧凑区域主导,这些DNA分部在核边缘处。低降解性凝胶中的细胞还表现出支持核被膜的结构蛋白表达的改变。这些变化通常是细胞静态表型的特征,在此表型下细胞处于休眠状态。尽管低降解性凝胶中的NPC不会分裂并且代谢活性低,但它们不会衰老,并且仍然具有活力并保留了神经营养蛋白的表达,该神经营养蛋白是指导神经再生的可溶性因子。

这些结果表明,细胞包裹的水凝胶材料可用于调控嵌入式NPC的命运发展,这可能使得这些细胞在将来被用于不同的治疗方法。对于组织替代治疗法,具有高降解性的材料将允许大量的细胞培养并且分化为成熟的细胞类型。相反,对于天然再生治疗法,在低降解性材料中递送的NPC可以作为促再生可溶性因子的来源。完整的研究结果发表在Advanced Healthcare Materials中。(DOI: 10.1002/adhm.202000754)