可降解水凝胶的三维转染体系用于干细胞的定向分化及组织再生的研究

Biomimetic hydrogel for delivery and induction of stem cell differentiation is a promising platform to achieve tissue repair and regeneration. However, how to efficiently induce the directed differentiation of stem cells is an urgent problem to be solved in tissue engineering. MicroRNAs (miRNAs) play a vital role in stem cell differentiation by regulating the expression of multiple proteins, and thus have great potential for tissue regeneration. At present, most functionalized hydrogel systems regulate stem cell differentiation through growth factors, however, due to their short half-life and target limitations, their biomedical applications are severely limited. This project intends to apply biodegradable hydrogels as a matrix for functionalized miRNA and stem cell co-delivery to achieve directed differentiation of stem cells for repair and regeneration of injured tissues. The proposed project includes the following studies: (1) Development of efficient and safe transfection vectors for stem cells; (2) Construction of hydrogel systems that mimic the structure and function of extracellular matrices for co-delivery of miRNAs and stem cells; (3) Investigation the miRNA functionalized of hydrogel for three dimensional differentiation of stem cells in vitro and in vivo. The present project will open up a novel method for tissue engineering research by combining gene therapy and stem cell therapy, which could provide important scientific guidance for personalized therapy and precision medicine in regenerative medicine.

基于水凝胶的生物材料用于递送和诱导干细胞定向分化，以实现缺损组织的修复与再生，是目前医学中的研究热点。然而，如何高效诱导干细胞的定向分化是组织工程中亟待解决的难题。微小RNA (miRNA) 通过调控多种蛋白的表达，在干细胞分化中起着关键的作用，因此在组织再生中有着巨大的潜力。目前多数功能化水凝胶系统通过生长因子调控干细胞的分化，但由于其半衰期较短、靶点局限性，严重限制了其在生物医学上的应用。本项目拟应用生物可降解水凝胶，作为功能化的miRNA和干细胞递送的基质，实现干细胞的定向分化和对受损组织的修复再生。具体研究包括：(1) 开发针对干细胞的高效、安全的转染载体； (2) 构建模拟细胞外基质结构与功能的水凝胶系统，用于miRNA和干细胞的共同递送；(3) miRNA功能化的水凝胶对干细胞体外、体内分化的促进作用。本项通过结合基因治疗与干细胞治疗，为组织工程的研究提供了一条新的研究思路。

组织器官的损伤或功能障碍是人类健康面临的主要危害之一，如何重新构建受损组织器官并恢复其功能，是目前医学领域中研究的热点问题。组织工程通过3D生物支架材料介导干细胞和干细胞定向分化因子的递送，可以促进创伤的愈合、组织修护已经恢复生理功能。目前基因测序技术的飞速发展，小干扰RNA/微小RNA（siRNA/miRNA）作为组织工程种的靶向诱导因子不仅可以实现干细胞精确的基因调控、定向分化，同时可以结合病患的个性差异，进一步实现个性化治疗和精准医疗。本项目的研究旨在通过合成脂质纳米颗粒实现干细胞的siRNA/miRNA的高效转染，将其作为定向分化因子负载于生物可降解水凝胶3D支架材料，实现干细胞的3D培养、原位转染并促进其定向分化用于组织的修复再生。通过本项目的研究我们实现了以下目标：(1) 成功合成新型脂体材料，通过自组装形成脂质体纳米颗粒，实现siRNA/miRNA的包封和对干细胞的高效转染；(2) 应用了天然高分子蚕丝蛋白成功构建生物基水凝胶的3D种植体支架材料，作为干细胞包埋、递送的介以及和组织的支架材料；(3) 通过将包封siRNA/miRNA的脂质纳米颗粒负载于上述3D种植体支架材料中，进一步促进干细胞的原位转染、定向分化和组织的修复再生。本项通过结合基因转染与干细胞治疗，开发一种新型组织诱导性生物支架材料，为组织工程和再生医学的基础研究以及生物材料的临床应用提供了新的思路。