干細(xì)胞如間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）具有多向分化潛能，可以在一定條件下特異性分化為成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、心機細(xì)胞等多種類型細(xì)胞，治療骨質(zhì)疏松、骨關(guān)節(jié)炎、阿爾茲海默病及心肌梗塞等多種疾病。目前臨床上使用MSC治療疾病的關(guān)鍵問題是如何有效的體內(nèi)控制誘導(dǎo)其定向分化為某一類型的細(xì)胞，從而可以針對性的治療某一種疾病，例如分化為軟骨細(xì)胞治療骨關(guān)節(jié)炎。
鑒于此，華南師范大學(xué)黎錦明研究員團隊設(shè)計構(gòu)建了一種基于上轉(zhuǎn)換納米顆粒的細(xì)胞培養(yǎng)基底，通過近紅外光光照時間長短和功率大小不同，調(diào)控MSC在上轉(zhuǎn)換納米基底上的粘附、伸展及多向分化。作者首先合成了Tm摻雜的核殼型上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNP），隨后在UCNP表面進行硅層包裹以便于表面修飾，修飾得到的UCNP@SiO2通過NHS-PEG-MAL linker連接到玻璃板上，最后在UCNP表面修飾RGD細(xì)胞粘附多肽和ONA光響應(yīng)配體得到近紅外光激活的UCNP-substrate。研究表明，在近紅外光的照射下，UCNP-substrate上的UCNP可以將近紅外光轉(zhuǎn)換為紫外光，使得光響應(yīng)配體ONA從細(xì)胞粘附肽RGD末端解離出來，從而恢復(fù)RGD多肽細(xì)胞粘附功能，加入的MSC得以粘附在UCNP-substrate上增值生長，從而實現(xiàn)體內(nèi)外“光控細(xì)胞特異粘附”。此外，通過調(diào)節(jié)近紅外光功率的大小和照射時間，可以實現(xiàn)UCNP-substrate上光響應(yīng)配體ONA解離程度的不同和RGD多肽活化的數(shù)量差異，從而引起MSC在UCNP-substrate上生長伸展?fàn)顟B(tài)的不同：當(dāng)近紅外光功率較小時（0.5 W/cm2），RGD活化數(shù)量較少，UCNP-substrate對MSC的拉伸力較弱，細(xì)胞生長狀態(tài)較為橢圓，從而傾向于分化為成脂細(xì)胞；當(dāng)近紅外光功率較大時（2 W/cm2），RGD活化數(shù)量較多，UCNP-substrate對MSC的拉伸力較強，細(xì)胞生長狀態(tài)較為扁平，從而傾向于分化為成骨細(xì)胞，由此實現(xiàn)了“光控細(xì)胞多向分化”（示意圖）。
示意圖：UCNP-substrate近紅外光控制誘導(dǎo)MSC粘附及多向分化。
實驗結(jié)果表明，合成的UCNP@SiO2具有較好的納米尺寸和較強的熒光發(fā)射；通過NHS-PEG-MAL linker可以很好的連接到玻璃板上，形成UCNP-substrate；近紅外光照射UCNP-substrate后，光響應(yīng)ONA可以有效的從substrate上解離下來，從而改變UCNP-substrate表面張力（圖1）。
圖1. UCNP@SiO2及UCNP-substrate的表征和近紅外光照釋放ONA及改變substrate表面張力。
細(xì)胞粘附實驗表明，近紅外光照射UCNP-substrate后，MSC可以有效地粘附在substrate上進行生長；MSC粘附在UCNP-substrate上的數(shù)量和近紅外光照射的功率大小及照射時間相關(guān)：照射功率越大，照射時間越長，細(xì)胞粘附的數(shù)量越多（圖2a）；同時MSC粘附在UCNP-substrate上后，其生長伸展的形態(tài)亦和近紅外光照功率大小相關(guān)：照射功率較小時，細(xì)胞形態(tài)為橢圓形，照射功率較大時，細(xì)胞形態(tài)較為伸展，為扁平狀（圖2b）。
圖2. 近紅外光控制誘導(dǎo)MSC在UCNP-substrate上的粘附（a）及生長伸展（b）。
細(xì)胞分化實驗表明，近紅外光可以調(diào)控MSC在UCNP-substrate上的多向分化：當(dāng)近紅外光照強度較弱時，光響應(yīng)分子ONA從substrate上解離的程度較弱，RGD細(xì)胞粘附肽活化的數(shù)量較少，對生長在substrate上的MSC拉伸力較弱，細(xì)胞形態(tài)較為橢圓，此時MSC傾向于分化為成脂細(xì)胞；當(dāng)近紅外光照強度較強時，光響應(yīng)分子ONA從substrate上解離的程度較大，RGD細(xì)胞粘附肽活化的數(shù)量較多，對生長在substrate上的MSC拉伸力較強，細(xì)胞形態(tài)較為扁平，此時MSC傾向于分化為成骨細(xì)胞。RT-PCR和ALP/OR染色結(jié)果都驗證了這一結(jié)果（圖3）。
圖3. RT-PCR（a）和ALP/OR染色（b）結(jié)果表明近紅外光可以調(diào)控MSC在UCNP-substrate上的多向分化：光照強度較弱時，MSC分化為成脂細(xì)胞；光照強度較強時，MSC分化為成骨細(xì)胞。
動物實驗結(jié)果表明，UCNP-substrate可以在近紅外光調(diào)控下，體內(nèi)控制誘導(dǎo)MSC在substrate上的特異性粘附：光照時間越長，光照功率越大，細(xì)胞在substrate上的粘附數(shù)量越多（圖4）。
圖4. 近紅外光體內(nèi)控制誘導(dǎo)MSC在UCNP-substrate上的粘附。
同時，近紅外光亦可體內(nèi)控制誘導(dǎo)MSC在UCNP-substrate上的多向分化：光照強度較弱時，體內(nèi)UCNP-substrate上的MSC傾向于分化為成脂細(xì)胞；光照強度較強時，體內(nèi)UCNP-substrate上的MSC傾向于分化為成骨細(xì)胞。植入體內(nèi)的UCNP-substrate取出后進行ALP/OR、免疫組化及免疫熒光染色結(jié)果驗證了這一點（圖5）。
圖5. 體內(nèi)近紅外光控制誘導(dǎo)MSC在UCNP-substrate上的多向分化。
該工作以“Near-Infrared Light-Controlled Activation of Adhesive Peptides Regulates Cell Adhesion and Multidifferentiation in Mesenchymal Stem Cells on an Up-Conversion Substrate”為題發(fā)表在Nano Lett.上（2022, 22, 2293-2302）。華南師范大學(xué)生物光子學(xué)研究院2019級碩士研究生郭玉嬌為文章第一作者，文章通訊作者為中山大學(xué)腫瘤防治中心楊安力博士和華南師范大學(xué)生物光子學(xué)研究院黎錦明研究員。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04534
