基于苯硼酸的两亲性小分子凝胶的构建及其调控干细胞迁移、定向分化机理的研究

Biomaterials for guiding tissue regeneration, i.e., regulation of mesenchymal stem cell (MSC) differentiation by composition and structure of materials, have become an important new strategy and direction for the development of tissue repair and regeneration. However, biomaterial is hard to guide bone tissue regeneration or cartilage tissue regeneration, due to poor differentiation ability. In order to figure out “directional differentiation” in bone tissue regeneration, we fabricate phenylboronic acid derivative based low molecular weight gels for bone and cartilage repair, through the design of molecular structure, mechanical properties, and spatial structure mediated by cell migration rate, as well as synergistic effects. We further analyse the mechanisms of phenylboronic acid derivative based low molecular weight gels on modulating the MSC differentiation in three major areas: chemical environment, physical environment and cell migration on the osteoblastic and chondrocytic differentiation of MSC, and emphasize the effect of MSC migration for the MSC differentiation lineage. Overall, our findings would have critical implications for our understanding of the theoretical basis involved with material design for regulation stem cell fate, and the optimal design of low molecular weighr gels for bone regenerations.

组织再生材料，即通过材料自身组成和结构启动干细胞分化实现组织再生，成为组织修复、再生的一个新的发展方向和趋势。但是目前临床用的生物材料由于骨向分化能力差，难以实现调控骨组织或软骨组织再生。因此，本项目紧密围绕“促进骨和软骨组织再生”的目标，针对组织再生过程的关键环节“定向分化”，通过分子结构的设计，力学强度的调控，同时利用空间结构的设计介导干细胞的迁移速率，分别构建能促进骨及软骨组织再生的两亲性苯硼酸类小分子凝胶。从化学信号、力学信号、细胞迁移等多角度研究苯硼酸类小分子凝胶调控干细胞成骨、成软骨分化的分子机制，明确其中的关键因素，特别考察干细胞的迁移状况对其分化途径的影响。形成、建立通过材料设计调控干细胞分化命运的理论基础，为小分子凝胶在组织修复、重建中的设计和应用提供理论指导。

细胞响应慢、骨向分化能力差等是临床骨科修复材料面临的主要问题。本项目紧密围绕“促进骨组织和软骨组织快速修复”目标，针对骨组织再生过程的关键环节“定向分化”，设计合成一系列基于苯硼酸的两亲性小分子凝胶因子。通过凝胶因子浓度、溶剂、烷基链长度等调控凝胶的力学强度，同时利用空间结构设计介导干细胞迁移速率，成功的构建能促进干细胞骨向分化的苯硼酸类小分子凝胶。从力学信号、细胞迁移等多角度研究凝胶调控干细胞骨向分化的分子机制。研究发现干细胞迁移与其分化密切相关：当干细胞迁移能力增强时，成骨分化能力增强。高迁移速率引起Wnt/β-catenin通路关键蛋白的高表达。比较阻断前后干细胞分化相关蛋白表达规律的差异性发现干细胞的分化（成骨方向）被抑制，结果证实迁移引起干细胞内应力的改变，激活Wnt/β-catenin信号通路，活化下游靶基因的转录，引发干细胞向成骨分化。力学刺激也是影响干细胞分化的关键因素。研究发现通过凝胶因子浓度、溶剂、烷基链长度等调控苯硼酸类小分子凝胶的力学强度可以有效的影响干细胞骨向分化：当力学强度在20-40kPa时，促进干细胞向成骨分化；当力学强度在1-10kPa时，促进干细向软骨分化。运用高通量检测技术研究发现干细胞通过MyosinII感受外界力学刺激，激活Rho-ROCK信号通路继而促进其向成骨分化。动物体内实验表明植入骨缺损4周和12周后苯硼酸类小分子凝胶均具有良好的体内成骨性能。其中力学强度高的小分子凝胶支架通过加速成骨过程中的干细胞成骨分化获得较佳的骨再生修复效果；兼具高力学强度及粗纤维结构的小分子凝胶提高干细胞的迁移速率加速开启成骨化进程获得最优的骨再生修复效果。本研究不仅揭示两亲性苯硼酸类小分子凝胶的分子结构、分子间相互作用力、空间结构对干细胞迁移、分化途径的影响与作用机制，加深对小分子凝胶调控干细胞定向分化机理的认识和了解；而且为促进小分子凝胶在生物医学领域的应用，特别是组织再生、修复治疗奠定理论基础和技术创新。