几种无机纳米粒子对干细胞分化的影响规律及相关机理

With more and more applications of nanoparticles (NPs) in biomedical field, much attention has been paid to the bio-security of NPs. Despite extensive researches on the process of cellular uptake, cytotoxicity and genotoxicity of different NPs, little is known of their effect on stem cell differentiation. It is only in the very early stage about the study of effects of NPs on stem cell differentiation, and there is no systematic and in-depth study on that. While NPs combined with stem cells have attracted great attention in biomedical application. In this project, several widely-used NPs, i.e. hydroxyapatite NPs, calcium carbonate NPs, silica NPs and silver NPs (as control) are selected to study systematically their effects on osteogenic, chondrogenic and adipogenic differentiation of human bone marrow mesenchymal stem cells and adipose-derived stem cells in cell level, protein level and gene level. Through this study, the effects of NPs on stem cell differentiation can be summarized, which makes a further supplementary for the bio-security of NPs and provides theoretic foundation and reference for the use of NPs combined with stem cells in biomedical applications.

随着纳米粒子在生物医用领域的广泛应用，纳米粒子的生物安全性越来越引起关注。目前对各种纳米粒子进入细胞的过程及其引起的细胞毒性、基因毒性等已有大量研究，但关于进入细胞的纳米粒子对干细胞分化功能的影响的研究很少。该方面的研究在国际上刚刚起步，尚无较为系统、深入的研究。而纳米粒子结合干细胞在生物医用领域具有广阔的应用前景。本项目选择几种在生物医用领域广泛使用的纳米粒子，即纳米羟基磷灰石、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙和纳米银（作为对照），从细胞水平、蛋白水平和基因水平系统研究纳米粒子对人骨髓间充质干细胞和脂肪干细胞向成骨、成软骨、成脂方向分化的影响及相关机理。通过本研究可认识纳米粒子对干细胞分化功能的影响规律，进一步补充和完善纳米粒子生物安全性机理，为纳米粒子结合干细胞在生物医用领域的应用提供理论支持和参考。

本项目的选题背景为纳米粒子结合干细胞在生物医用领域的应用。在生物医用领域，使用较为广泛的有金属纳米粒子，如纳米银作为抗菌剂；无机非金属纳米材料，如纳米羟基磷灰石、介孔二氧化硅、纳米碳酸钙等，可制备成多孔材料，常用作药物或基因载体；高分子纳米粒子，如聚乳酸－羟基乙酸（PLGA），常用作药物或基因载体。这些纳米粒子在体内均会被细胞摄取。当涉及干细胞时，除了研究纳米粒子进入干细胞的机理及其引起的毒性外，纳米粒子对干细胞分化的影响至关重要。以往的研究多关注纳米粒子的细胞毒性以及细胞对纳米粒子的摄入过程，而纳米粒子对干细胞分化功能的影响研究很少。本项目系统地研究了不同纳米粒子对干细胞分化功能的影响规律，研究成果可补充和完善纳米粒子安全性基本原理。.本项目的研究包括四种纳米粒子（纳米银、纳米二氧化硅、纳米羟基磷灰石、纳米碳酸钙）进入干细胞后，对人骨髓间充质干细胞(hMSCs)分化的影响，从而得出了几种纳米粒子对干细胞分化功能的影响规律如下。.1、所制备的30 nm的纳米银能被hMSCs吞噬进入细胞内部，会抑制细胞的增殖，并且随着浓度的提高，细胞毒性增大。纳米银能提高hMSCs的成骨分化能力，而对干细胞成脂分化没有影响。.2、所制备的50、200、400 nm的二氧化硅颗粒能够进入hMSCs细胞内部，未表现出细胞毒性。纳米二氧化硅能促进hMSCs的成骨分化而抑制成脂分化。.3、所制备的50、100、150 nm的羟基磷灰石颗粒进入hMSCs细胞内部，浓度低于50μg/mL时未表现出明显的细胞毒性，无尺寸浓度依赖性。纳米羟基磷灰石促进hMSCs的成骨分化，在浓度为5和10μg/mL时不影响成脂分化。.4、所制备的两种形貌的纳米碳酸钙颗粒进入hMSCs细胞内部，在低浓度时对细胞活性产生轻微影响。纳米碳酸钙能够明显促进hMSCs的成骨分化，而抑制其成脂分化。.通过以上研究成功发表SCI论文26篇， 以上研究结果为纳米粒子结合干细胞在组织工程等生物医用领域的应用提供了理论支持和参考。