基于界面光热传输和主客体络合诱导胚胎干细胞定向分化

The differentiation induction of embryonic stem cell (ESCs) has great practical applications in cell transplantation for diseases treatment. However, it is a difficult to obtain a large number of highly purified differentiated cells to meet the needs in clinical applications. Efficient delivery and utilization of induction molecules is an important strategy to solve this problem. Taken neural differentiation as the research object, ESCs neural induction is proposed from chemical and physical aspects respectively in this project, with the aim to obtain highly uniform differentiation of cells. At the chemical level, the complexation of cyclodextrin based-glycosaminoglycan mimics with induction molecules and the affinity of glycosaminoglycan mimics with cell membrane will facilitate the enrichment of induction molecules to cell surface. At the physical level, the permeability of the cell membrane to the induced molecule was enhanced by using the photothermal substrate. Maximum utilization efficiency will be obtained with the synergy effect of these two strategies, and the underlying mechanisms of induction molecules delivery efficiency on ESCs differentiation will be revealed. The efficient delivery platform for induction molecules could be applied to a variety of directional differentiation system for and promote the application of cell transplantation for the treatment of major human diseases.

胚胎干细胞（ESCs）的体外诱导分化在疾病的细胞治疗上具有重要的实际应用，然而如何获得大量高纯度的分化细胞以满足临床应用的需求是一大难点问题。其中，促进诱导分子的高效细胞传输和利用是解决这一问题的重要途径。基于这一研究策略，本项目以ESCs的神经诱导为研究对象，拟从物理和化学两个层面分别促进细胞对诱导分子的高效利用从而获得高度均一的分化细胞。利用光热基材对ESCs的良性热致穿孔效应提高细胞膜对诱导分子的通透性，并利用环糊精类糖胺聚糖对诱导分子的络合作用以及对ESCs表面糖受体的亲合性促进诱导分子在细胞表面的富集和细胞穿透。通过上述物理和化学作用的协同效应构建诱导分子的高效传输平台，揭示诱导分子传输效率与干细胞定向分化之间关系的实质，期望突破诱导分子低效传输的屏障，实现干细胞向多种方向的高度均一性分化，推动发展细胞移植技术在重大疾病治疗领域的应用。

本项目按计划完成了“基于界面光热传输和主客体络合诱导胚胎干细胞定向分化”的研究目标。以光热基材作为载体，引入具有促分化活性的糖胺聚糖（GAG）类似物，系统研究了糖胺聚糖类似物化学作用和光热界面物理作用相结合的协同作用对胚胎干细胞神经分化的影响，具体如下：1）引入具有光热转换性能的纳米材料，利用其光热效应促进诱导因子视黄酸（RA）进入到细胞内部，与细胞核上的视黄酸受体相结合，激活下游信号通路，促进神经细胞的分化和成熟。2）利用糖胺聚糖类似物对生物材料进行化学改性，通过GAG类似物协调成纤维细胞生长因子与细胞膜表面的相关受体的结合，形成三元复合物，进而激活下游糖胺聚糖相关信号通路，实现神经分化。3）通过糖胺聚糖类似物化学作用与光热材料物理作用的协同，既能利用糖胺聚糖类似物作用于GAG相关信号通路以促进神经分化，同时利用光热效应提高RA的细胞利用率进一步促进神经细胞的分化和成熟，通过这种同时作用于GAG和RA相关信号通路的协同策略提高干细胞神经分化的效率和纯度。本研究的工作为构建胚胎干细胞神经分化诱导平台提供了新的思路和方向，构建的这种光热递送平台可推广至多种定向诱导分化体系，有望实现干细胞向多种方向的高度均一性分化，推动细胞移植技术在重大疾病治疗领域的应用。