干細胞如間充質干細胞（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胞、軟骨細胞、神經細胞、心機細胞等多種類型細胞，治療骨質疏松、骨關節炎、阿爾茲海默病及心肌梗塞等多種疾病。目前臨床上使用MSC治療疾病的關鍵問題是如何有效的體內控制誘導其定向分化為某一類型的細胞，從而可以針對性的治療某一種疾病，例如分化為軟骨細胞治療骨關節炎。
鑒于此，華南師范大學黎錦明研究員團隊設計構建了一種基于上轉換納米顆粒的細胞培養基底，通過近紅外光光照時間長短和功率大小不同，調控MSC在上轉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細胞粘附多肽和ONA光響應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可以將近紅外光轉換為紫外光，使得光響應配體ONA從細胞粘附肽RGD末端解離出來，從而恢復RGD多肽細胞粘附功能，加入的MSC得以粘附在UCNP-substrate上增值生長，從而實現體內外“光控細胞特異粘附”。此外，通過調節近紅外光功率的大小和照射時間，可以實現UCNP-substrate上光響應配體ONA解離程度的不同和RGD多肽活化的數量差異，從而引起MSC在UCNP-substrate上生長伸展狀態的不同：當近紅外光功率較小時（0.5 W/cm2），RGD活化數量較少，UCNP-substrate對MSC的拉伸力較弱，細胞生長狀態較為橢圓，從而傾向于分化為成脂細胞；當近紅外光功率較大時（2 W/cm2），RGD活化數量較多，UCNP-substrate對MSC的拉伸力較強，細胞生長狀態較為扁平，從而傾向于分化為成骨細胞，由此實現了“光控細胞多向分化”（示意圖）。
示意圖：UCNP-substrate近紅外光控制誘導MSC粘附及多向分化。
實驗結果表明，合成的UCNP@SiO2具有較好的納米尺寸和較強的熒光發射；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上的數量和近紅外光照射的功率大小及照射時間相關：照射功率越大，照射時間越長，細胞粘附的數量越多（圖2a）；同時MSC粘附在UCNP-substrate上后，其生長伸展的形態亦和近紅外光照功率大小相關：照射功率較小時，細胞形態為橢圓形，照射功率較大時，細胞形態較為伸展，為扁平狀（圖2b）。
圖2. 近紅外光控制誘導MSC在UCNP-substrate上的粘附（a）及生長伸展（b）。
細胞分化實驗表明，近紅外光可以調控MSC在UCNP-substrate上的多向分化：當近紅外光照強度較弱時，光響應分子ONA從substrate上解離的程度較弱，RGD細胞粘附肽活化的數量較少，對生長在substrate上的MSC拉伸力較弱，細胞形態較為橢圓，此時MSC傾向于分化為成脂細胞；當近紅外光照強度較強時，光響應分子ONA從substrate上解離的程度較大，RGD細胞粘附肽活化的數量較多，對生長在substrate上的MSC拉伸力較強，細胞形態較為扁平，此時MSC傾向于分化為成骨細胞。RT-PCR和ALP/OR染色結果都驗證了這一結果（圖3）。
圖3. RT-PCR（a）和ALP/OR染色（b）結果表明近紅外光可以調控MSC在UCNP-substrate上的多向分化：光照強度較弱時，MSC分化為成脂細胞；光照強度較強時，MSC分化為成骨細胞。
動物實驗結果表明，UCNP-substrate可以在近紅外光調控下，體內控制誘導MSC在substrate上的特異性粘附：光照時間越長，光照功率越大，細胞在substrate上的粘附數量越多（圖4）。
圖4. 近紅外光體內控制誘導MSC在UCNP-substrate上的粘附。
同時，近紅外光亦可體內控制誘導MSC在UCNP-substrate上的多向分化：光照強度較弱時，體內UCNP-substrate上的MSC傾向于分化為成脂細胞；光照強度較強時，體內UCNP-substrate上的MSC傾向于分化為成骨細胞。植入體內的UCNP-substrate取出后進行ALP/OR、免疫組化及免疫熒光染色結果驗證了這一點（圖5）。
圖5. 體內近紅外光控制誘導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”為題發表在Nano Lett.上（2022, 22, 2293-2302）。華南師范大學生物光子學研究院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腫瘤防治中心楊安力博士和華南師范大學生物光子學研究院黎錦明研究員。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04534
