超快激光诱导干细胞分化研究

The development of stem-cell differentiation technology provides possibilities of effective treatment to series of diseases, and thus great promising potential for clinical application of stem cells is brought to regenerative medicine. However, classic biological or biochemical method for induction of stem-cell differentiation can introduce exogenous biochemical materials to the biological body with contacts. Complicated biological safety concerns are then raised, which limits the practical application of stem cells in clinic. In this proposal, novel method for inducing stem-cell differentiation will be developed with femtosecond laser. Stem cells will be precisely excited or stimulated by a tunable femtosecond laser with multiphoton effect. In this way, key molecules and signaling pathways that are related with differentiation may be regulated by such excitation, and stem-cell differentiation may be induced. It will be investigated in vitro and in vivo for study of the application possibility of this method in clinic. This pure optical method has controllability with very high spatial and temporal resolution, without any involvement of biochemical contacts. Therefore, this noninvasive method for stem-cell differentiation by lasers will provide new technology and idea to stem-cell research, by which the development of clinical application of stem cells for regenerative medicine can be promoted.

干细胞分化技术的发展，对一系列重大疾病的治疗提供了可能，为干细胞在再生医学上的临床应用提供了巨大前景。但是经典的生物生化诱导干细胞分化方法，会给受治疗生物体引入外部生化材料而产生生化接触，由此带来了复杂的生物安全性问题，限制了干细胞在实际临床上的应用。本项目将研究全新的飞秒激光诱导干细胞分化方法，通过可调谐飞秒激光对干细胞的精密可控的多光子刺激激发，直接调控干细胞的若干影响分化的关键分子信号及其信号通路，进而实现飞秒激光对干细胞分化的诱导。通过在体外和在体条件下的实验研究，探讨激光诱导干细胞分化在临床应用的可能性。这种纯粹的光学方法具备极高的时间和空间分辨的可控性，不需要任何生化接触和材料参与。因此，这种全新的非接触式激光诱导干细胞分化方法，将为干细胞分化研究提供新技术和新思路，有力地推动干细胞在再生医学的临床应用发展。

干细胞研究一直是生命科学中最重要的课题之一。如何调控、诱导干细胞发育、增殖、与分化，是干细胞研究和应用领域中关键的一环。干细胞在临床研究和疾病治疗中已经获得了许多重要进展，但目前依然缺少有效的技术对干细胞的发育分化过程进行可控精确的调控。本项目使用飞秒激光在单细胞水平上对干细胞的增殖、干性、分化进行调控。本项目研究了飞秒激光对干细胞内钙离子和钙通道精确可控的调节技术，对线粒体中钙与ROS的调节；研究了飞秒激光调控细胞ERK通路的技术与机制。研究了飞秒激光对多种间充质干细胞的分化诱导技术和分子机制，以及活体小鼠脑中的神经干细胞的刺激诱导技术。.项目实现了飞秒激光精确调控单个线粒体钙和ROS的技术，对激光刺激诱导干细胞分化和其它细胞的可塑性具有重要意义。以通讯作者发表高水平SCI论文6篇。此项技术在神经元的可塑性研究中已经获得应用并取得了重要进展。首次发现了飞秒激光可以直接调控细胞的SOC钙离子通道，这是国际上首次仅仅使用激光控制细胞的钙离子通道，而不需要任何光遗传学技术或其它生化、纳米材料。以通讯作者撰写论文，已在Nature Methods第二轮修改。首次实现了飞秒激光对细胞内ERK通路的精准调控，并具有极高的时空精度和可控性，对于调控干细胞分化与发育具有重要意义。论文以封面文章发表于Laser & Photonics Reviews。实现了飞秒激光诱导骨髓间充质干细胞（鼠源）、脂肪间充质干细胞（鼠源）、脐带血间充质干细胞（人源）向成骨细胞分化的技术，阐明了其机制。首次提出了飞秒激光在诱导间充质干细胞分化的过程中，干细胞干性存在振荡。在活体小鼠中实现了在体神经干细胞分化。论文撰写中，拟投往Science translational medicine。搭建了基于气道内窥镜的飞秒激光刺激系统，与医院合作研究激光对肺部气管基底干细胞的刺激活化技术，应用于肺部重大疾病的治疗，并将其进行临床应用转化。