三维基质中Wnt/BMP复合信号梯度的控制及对干细胞分化的调控

Artificial matrix has been widely used for tissue engineering in regenerative medicine to provide mechanical, structural, and compositional cues for stem cell culture. One critical challenge for establishing reliable stem cell culture and differentiation is to replicate the extracellular matrix (ECM) with respect to the native signaling ingredients and their spatiotemporal regulations, which ultimately relies on functional immobilization of signaling proteins. In this project, we will explore the molecular machinery governing the formation of protein corona on electrospun nanofibers by proteomic quantification of protein nonspecific binding. We will develop efficient surface biofunctionalization methods to inhibit cytotoxicity of the nanofibers and maintain the functionality of signaling proteins. Based on these optimized methodologies, we will specifically immobilize signaling biomolecules on nanofibers to fabricate 3D stem culture matrix. Using orthogonal chemical biology methods for surface modification, we will control the biofunctionalization degree on the aligned electrospun fibrous scaffold, thus obtaining orientated Wnt/BMP signal gradients within nanofibrous 3D cell culture matrix. The established methodology will not only contribute to exploring the mechanism of signal-gradient depedent stem cell fate decision, but also to obtaining tailored bio-mimicking extracellular environments for versatile applications of regenerative tissue engineering.

再生医学组织工程广泛使用人工基质为干细胞提供类似于机体组织的力学、结构和物质支持。如何使人工基质在生物-化学活性成分及时间-空间分布上模拟细胞外基质环境是建立可靠干细胞生长与分化的关键和难点。本课题拟使用静电纺丝制备的聚合物纳米纤维作为人工基质的支架材料，定量分析电纺纳米纤维表面形成的蛋白质晕，针对性地开发表面生物功能化方法，正交活性固载对干细胞维持和分化起到重要作用的Wnt和骨形态发生蛋白BMP。在此基础上，控制纳米纤维支架上的生物功能化程度，制成具有Wnt/BMP复合信号因子梯度的组织工程支架。协调支架上细胞信号因子梯度与纳米纤维的取向，制成三维人工基质培养干细胞，量化Wnt/BMP梯度和取向对干细胞的生长和分化的效果。预期结果将有助于深入理解基质中细胞信号因子梯度影响干细胞维持和分化的机制，并且可用于依照组织工程的需要定制干细胞生长和分化的人工基质，具有重大的科学和实践意义。

再生医学组织工程离不开可靠的体外干细胞培养。目前研究的重点在于构建三维水溶胶体系，为干细胞生长提供与体内的力学、结构和生物化学成分相近的细胞外基质环境。为此，本项目构建了生物功能化纳米纤维组织工程支架用于制备三维纳米纤维干细胞培养基质，实现了在非均相三维基质中干细胞分化信号因子的可控释放，用以增强对干细胞在人工基质中维持和分化机制的理解并提供了人工干预手段。本项目研究工作围绕以下重点开展：疏水纳米材料（包括电纺纳米纤维、碳纳米管和石墨烯）表面抑制蛋白质晕形成的机制和有效途径；基于双亲性高分子的纳米材料表面生物功能化修饰和细胞因子的活性固载；干细胞在生物功能化纳米纤维三维基质中的可控分化。经过项目全体成员四年的扎实工作，我们完成了研究项目，获得一批原创成果，在国际高水平生物和纳米学科期刊上发表论文4篇，出版国际学术专著1章，国际会议论文2篇，申请发明专利2项（含授权1项）。在疏水纳米材料生物功能化和双亲接枝高分子聚合物合成研究取得了显著的实质性进展，开创性地将所得到的生物功能化的碳纳米材料用于细胞膜膜上蛋白质复合物的动态结构检测，工作得到国际同行的推荐和广泛引用。基于项目研究中建立的干细胞培养基质新材料和新方法，我们申请了国家发明专利2项，其中1项已获得专利授权。成果为在人工基质的特定区域分化出不同种类细胞和复杂器官的再生修复的应用提供了坚实的基础。