Advanced Materials:通过光响应调控干细胞分化的新方法——改变配体的系链长度

干细胞是一类具有自我更新能力和分化能力的细胞,可用于再生医学的多个领域,如伤口修复和组织再生等,也在多种常见疾病的治疗中展现了可喜的效果。但如何调控干细胞的定向分化一直是干细胞研究中的难题。干细胞的功能与其所在微环境息息相关,其中包含的物理信号以及生化刺激能够极大地影响干细胞的行为。当下虽然许多仿生材料已经用于干细胞的培养及研究,但是普通的合成材料往往无法充分模拟微环境中的复杂信息。因此许多针对干细胞行为的动态调控策略应运而生,例如生物活性配体的应用和材料的物理化学特性变化。其中光刺激作为一种灵活的低损伤实时调控策略受到了广泛关注。

通常光响应材料都是基于可逆或非可逆光化学反应设计的,而这些方法仍然受限于细胞与基底间复杂的相互作用和紫外光引起的细胞毒性。目前光转化蛋白间相互作用已被广泛应用于多种相关研究,该方法主要是基于光引发下的蛋白结合与解离,但是蛋白间相互作用的低亲和性使得针对干细胞的长期培养及分化仍然存在壁垒。

近日,中国南京大学王炜教授、曹毅教授与华南理工大学边黎明教授课题组通力合作,利用蛋白质工程和单分子力谱技术,理性设计了长度可调的光响应配体系链。这种方法能够在长时间的细胞培养期间持续并稳定地控制生物活性配体的行为,并且不会引起配体的自发解离和空间转移,从而可以通过特定波长的光照改变配体长度使得干细胞感知到的来自于基底的力传导信号发生变化,以此达到操纵光照调控干细胞分化的目的。此法的特点在于干细胞所处生化环境的稳定维持和基质宏观弹性与局部力学信号传导的去耦合。这些特点为生物活性和干细胞命运操纵提供了具有生物正交、可逆且实时性的新视角。

图一 光响应系链的设计和基于原子力显微镜的单分子力谱测量。
图二 人间充质干细胞对不同长度系链的行为响应。
图三 两种光响应系链在不同光照下的单分子力谱测量。
图四 通过光响应系链调控人间充质干细胞的力传导效率。
图五 利用光照刺激来控制人间充质干细胞在共诱导培养基中的分化。
图六 光照对人间充质干细胞分化的空间调控。

在该工作中,利用可见光转换的系链来连接细胞与基底,从而实现对干细胞功能的控制。通过单分子力谱技术和蛋白质工程来说明系链长度的改变可以高效调节干细胞的力传导作用。另外该工作提出存在一个介于75-143 nm的长度阈值,其在干细胞基于配体连接的力感应贴壁过程中扮演着重要角色,以及细胞与基底之间的相对位移对于细胞行为的影响。这些发现为今后的力传导调控提供了新思路。

王炜教授和曹毅教授课题组自2014年以来,通过基于原子力显微镜的单分子力谱技术探究了生物分子结构与功能之间的关系以及生物分子中的多种相互作用和力催化反应,成功测量了包括Mal-SH, 酯键在内的多种相互作用并挖掘了其影响因素。同时也基于多种微观相互作用制备出丰富的复合生物材料,并进行力学调控和实际应用。另外,课题组通过力化学手段进行包括力化学打印在内的多种技术创新,从而实现多维度的生物材料力学研究。

南京大学物理学院张均生博士生和香港理工大学研究助理教授Siu Hong Dexter Wong为论文的共同一作,南京大学的曹毅教授,王炜教授和华南理工的边黎明教授为论文共同通讯作者。

论文信息:

Engineering Photoresponsive Ligand Tethers for Mechanical Regulation of Stem Cells

Junsheng Zhang, Siu Hong Dexter Wong, Xin Wu, Hai Lei, Meng Qin, Peng Shi, Wei Wang*, Liming Bian*, Yi Cao*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202105765

原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202105765