光响应纳米水凝胶胞内尺寸变化对干细胞分化的影响及机制研究

The use of nanomaterials (NMs) to regulate the stem cell differentiation is expected to promote the application of biomaterials in tissue repair and disease treatment. Recent studies have shown that the physical and chemical properties of NMs, such as size, morphology and charge, can affect stem cell differentiation. The size of NMs may change (such as degradation or agglomeration) inside the cells, but the effect of size changes on stem cell differentiation is neglected. In addition, because of their excellent controllable, the sensitive NMs have been used as carriers to release the active factors inside the cells, which can regulate stem cell differentiation. However, the impact of the size change of the sensitive NMs inside the cells on the stem cell differentiation is unclear. Research the impact of the size change of the sensitive NMs inside cells on the differentiation stem cells differentiation can develop new biomaterials with the ability to control the stem cell fate and provide in-depth understanding the safety issue of the sensitive NMs. As the light owns the safety, cleanliness, ease of use and controllable, in this project, nanohydrogels with defined size, morphology, mechanical property, and UV/Vis-sensitive will be prepared. The effect of their size change inside the cells on the differentiation of the bone marrow stem cells will be studied. The key signal pathways and molecular mechanism regulating stem cells differentiation will be elucidated as well.

使用纳米材料改变细胞内微环境调控干细胞的分化方向，有望促进生物材料在组织修复和疾病治疗方面的应用。最新研究表明，纳米材料的理化性质如尺寸、形貌和电荷等均可影响干细胞分化；但纳米材料进入细胞后，其尺寸可能会发生改变（降解或团聚），其对干细胞分化的影响却极少关注。同时，由于其具有可控性，响应型纳米材料已被作为载体在胞内释放活性因子调控干细胞分化；但其本身在胞内尺寸改变对干细胞分化的影响却被忽视。研究纳米材料在细胞内尺寸变化对干细胞分化行为的影响规律和分子机制，不仅可以开发新型功能生物材料调控干细胞的定向分化，而且可以深入了解纳米材料的生物安全性。由于光具有安全、清洁、易于使用和可控的特性，因此本项目拟制备尺寸、形貌和机械性能可控，同时具有紫外/可见光响应的纳米水凝胶，阐明其在细胞内尺寸变化对骨髓间充质干细胞分化的影响。揭示其在胞内尺寸变化调控干细胞分化的关键信号通路和分子机制。

使用纳米材料改变细胞内微环境调控干细胞的分化方向，有望促进生物材料在组织修复和疾病治疗方面的应用。纳米材料进入细胞后，其尺寸或结构可能会变化（降解或团聚），其对干细胞分化的影响及机制仍不清楚。本项目首先综述了近年来纳米材料对干细胞分化的影响。发现纳米结构对干细胞分化的影响及机制却很少研究。因此本项目制备了两种不同纳米结构的金纳米材料，分别为六面体（MUA-AuNC）和八面体（MUA-AuNO），大小和表面电荷性质一样，仅纳米结构不同。大鼠骨髓间充质干细胞（rMSCs）吞噬纳米粒子后，其分化行为受纳米结构影响，MUA-AuNO具有更强的促rMSCs向成脂方向分化，抑制其向成骨分化。其主要的机制是与活性氧（ROS）相关，MUA-AuNO的吞噬导致rMSCs产生更多的ROS。干细胞分化的纳米结构依赖性调控反映了纳米结构的重要性，对新型纳米材料的设计和应用具有重要意义。紧接着本项目又探索了在胞内调控尺寸变化的pH响应性纳米材料，为后续考察其在干细胞胞内尺寸变化对干细胞分化的影响及机制，打下了基础。在项目的执行中，研究了基于大鲵皮肤粘液的组织粘结凝胶的凝胶机制和组织粘结机制，为纳米凝胶的制备用于干细胞分化的研究打下了坚实基础。本项目在前期发现ROS对干细胞的分化起着至关重要的作用，因此本项目制备了一种新型具有强的高ROS清除效率和生物相容性好的超小铜纳米酶，有望清除如炎症部位干细胞内过度的ROS，调控干细胞分化。本项目的开展为纳米材料对干细胞分化的影响及机制研究打下了基础，也为用于干细胞分化调控的纳米材料设计提供了一定的理论支撑。