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  醫(yī)用生物材料逐漸成為我國高速發(fā)展的重要產業(yè)和國家的重大戰(zhàn)略需求之一。為了賦予醫(yī)用生物材料材料良好的生物相容性，最常見的方法就是在材料表面修飾能夠促進細胞粘附的細胞外基質蛋白/多肽。1984年，Erkki Ruoslahti和Michael D. Pierschbacher首次報道僅有三個氨基酸序列的RGD多肽能夠支持細胞粘附（Nature 1984, 309, 30–33）；這一發(fā)現顛覆了科學界對這一領域的認知，RGD開始被廣泛應用于各類組織工程領域，并且被譽為細胞粘附多肽的“黃金標準”。但是，這些天然蛋白/多肽在生物體內容易被酶降解，且價格昂貴、難以大量生產，這極大的限制了它們的實際應用。因此，研究能夠替代天然蛋白/多肽的新一代細胞粘附材料對組織修復領域具有重要意義。

  針對這一迫切需要，華東理工大學劉潤輝教授課題組結合RGD多肽和成骨細胞選擇性粘附多肽KRSR的結構特征及粘附機理，以骨修復為研究模型，設計發(fā)現了具有優(yōu)異細胞粘附功能的β-氨基酸聚合物。該工作以2019年10月1日劉潤輝教授課題組發(fā)表的優(yōu)化活性表面修飾方法（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 16772-16780）為研究基礎，通過高通量篩選發(fā)現促成骨細胞粘附功能最佳的β-氨基酸聚合物（DM₅₀CO₅₀）（圖1），解析了細胞粘附機理，并進一步研究了這類新材料在動物體內的骨修復效果。這一研究成果以題為“Dual mechanism β-amino acid polymers promoting cell adhesion”發(fā)表在Nature Communication上。

圖1. β-氨基酸聚合物的合成及高通量篩選

  通過共聚焦顯微鏡觀察到細胞粘附3小時后，DM₅₀CO₅₀表面的細胞鋪展情況與KRSR表面類似；24小時后，DM₅₀CO₅₀表面與RGD表面相當，優(yōu)于KRSR表面。這提示了聚合物粘附的機理可能與RGD和KRSR多肽不同（圖2）。

圖2. 成骨細胞在聚合物表面上的粘附和增殖

  因此作者運用RNA-seq深入全面的分析了成骨細胞在DM₅₀CO₅₀表面和RGD表面上粘附2天后的基因差異。GO富集分析和KEGG富集分析的結果指出，聚合物DM₅₀CO₅₀粘附成骨細胞的機理與細胞膜上的整合素結合及多糖結合的通路有關（圖3）。

圖3. 成骨細胞在聚合物表面上的粘附兩天后的RNA-seq分析

  根據RNA-seq的分析結果，作者首先研究了成骨細胞在聚合物表面生長2天后，表面吸附的幾種常見細胞粘附蛋白的含量，發(fā)現聚合物表面的纖連蛋白和膠原蛋白含量較高，這與RNA-seq結果相互印證。同時，作者在有/無血清培養(yǎng)的環(huán)境下，用EDTA抑制劑阻斷了整合素-配體結合的細胞粘附通路。作者發(fā)現在有血清培養(yǎng)的情況下加入EDTA后，聚合物表面的細胞粘附鋪展面積減小但仍然能夠粘附，說明聚合物粘附細胞的機理中有一部分來自于與整合素的相互作用，這得益于血清環(huán)境下聚合物表面上吸附的細胞粘附蛋白。與此同時，在無血清環(huán)境下加入EDTA后，聚合物表面的細胞粘附效果變化不大，這進一步說明聚合物粘附細胞的機理還包括除整合素以外的其他作用方式。進一步地，作者在無血清培養(yǎng)的條件下用肝素酶和透明質酸酶處理細胞表面，發(fā)現去除細胞膜表面上的多糖后，細胞粘附效果有所減弱（圖4）。

  以上研究結果表明，β-氨基酸聚合物促進成骨細胞粘附的機理是RGD類似的整合素-配體作用以及KRSR類似的多糖作用的“雙機理”。

圖4. 成骨細胞在聚合物表面上粘附的機理研究

  最后，作者以生物惰性的PEG水凝膠作為基底，用DM₅₀CO₅₀修飾PEG水凝膠，通過大鼠顱骨缺損模型來展示聚合物在動物體內促進細胞粘附及骨修復效果。經過8周的修復，Micro-CT和H&E切片染色的結果顯示，DM₅₀CO₅₀修飾的PEG水凝膠骨修復效果顯著優(yōu)于未修飾的PEG水凝膠，同時也優(yōu)于商用的GelMA（甲基丙烯�；髂z）和PLA（聚乳酸）骨修復材料（圖5）。

圖5. 體內顱骨修復效果展示

  華東理工大學材料科學與工程學院博士研究生陳琦是該成果的第一作者，華東理工大學劉潤輝教授是通訊作者。該成果得到了國家自然科學基金委、科技部等基金的資助。陳琦同學得到華東理工大學“張江樹優(yōu)博重點培育計劃”的資助。

  論文鏈接: https://www.nature.com/articles/s41467-020-20858-x