香港中文大学边黎明团队：异二聚体磁性纳米开关远程调节干细胞粘附和分化
上一篇 / 下一篇 2018-05-22 14:06:22/ 个人分类：人物与科研
调节生物体内细胞功能需要一个可远程、无创及可逆控制的纳米级别平台以实现生物活性配体的纳米尺度呈递。近日，香港中文大学边黎明教授课题组提出了一种创新的方法：将磁控纳米异二聚体开关用于调控RGD多肽与细胞膜表面受体的动态结合（DOI: 10.1021/jacs.8b03001）。
边黎明教授课题组简介
边黎明教授课题组长期致力于生物材料与组织工程的相关研究。以透明质酸、明胶等天然高分子为基础，开发了一系列具有良好力学性能和生物兼容性的功能化水凝胶，亦关注了水凝胶的生物活性及其在再生医学中的重要应用。与此同时，课题组基于多种纳米材料，研发了用于基因/药物传递和分子成像的新体系，在调控干细胞分化和研究细胞-材料相互作用等领域取得诸多新进展。近年来，边黎明教授以项目负责人身份负责多项科研项目，包括香港研究资助局基金、香港健康医学科研基金、香港创新科技署基金、国家自然科学基金项目等。目前课题组有在读博士生七名，研究助理一名，博士后四名。在课题组成立的5年间，课题组成员在相关领域已经累计发表SCI论文五十余篇，包括以边黎明教授为通讯作者发表在J. Am. Chem. Soc., PNAS, Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Letters, Biomaterials, NPG Asia Materials, Small, Macromolecules等期刊的文章。
边黎明教授简介
边黎明教授，2009年于哥伦比亚大学获得生物医学工程专业博士学位，2009至2012年于宾夕法尼亚大学从事博士后研究工作。现任香港中文大学生物医学工程系助理教授。
边黎明团队所开发的异二聚体纳米开关由磁性纳米笼（MNC）、聚乙二醇（PEG）、RGD及玻璃基底上的金纳米粒子（AuNP）组成。磁场吸引MNC造成的位移允许可逆的笼蔽和解封AuNP上的RGD多肽，因此可物理性地调节RGD与细胞的整联素结合，从而调节人类干细胞在体外及体内环境与基质的粘附性，并控制干细胞分化和调节细胞内的力学传递讯息。这种利用异二聚体磁性纳米开关可逆地解封RGD的设计非常新颖，为调节体内细胞行提供了一个有效的遥控器。
近年来，利用远程操作来调节体内及体外细胞与材料之间的相互作用（如整联素与配体互动）主要由光化学（近红外、紫外线等）控制。然而，光的穿透性是有限的，并且有可能对体细胞造成潜在损伤。因此，使用有高穿透性且相对无害的非入侵性磁控来调节细胞与材料之间的相互作用是更理想的策略。去年，边黎明团队曾报导了通过聚乙二醇链把载有RGD的超顺磁性纳米粒子（MNP）修饰在材料的平面上，从而开发了磁控干细胞和巨噬细胞整联素与配体互动的创新纳米平台。而在本次研究中，团队设计了一个更创新且简易的可磁控异二聚体纳米笼，来进一步展示磁控纳米平台的应用及优点。
图1. 异二聚体磁性纳米笼开关的可逆笼蔽和解封以调节干细胞的体内粘附和分化。
（来源：J. Am. Chem. Soc.）
图2. 磁性纳米笼开关的原位成像及其动态图像
（来源：J. Am. Chem. Soc.）
作者利用透射电子显微镜观察异二聚体磁性纳米笼，其外形皆为一颗超顺磁性纳米粒子与一颗金纳米相连，能量色散展示MNC-(AuNP-RGD)异二聚体偶联底物主要由金和铁元素组成。原子力显微镜成像结果表明该异二聚体能通过磁场产生可逆的开关，蓝色虚线（图2A）为非磁性参照物AuNPs的中心。在强力磁场吸引下，MNC被拉开，AuNP-RGD暴露出来后，易与细胞整联素和黏附配体进行互动。在没有磁场吸引下，MNC纳米笼自然关上，细胞整联素不能与AuNP-RGD进行互动。
图3. 异二聚磁性纳米笼开关可在不同时间点可逆地调节干细胞的粘附和分化
（来源：J. Am. Chem. Soc.）
当细胞整联素及黏附配体与AuNP-RGD的互动达到成熟时，其黏附位置会形成黏着斑，构成此结构的重要蛋白为vinculin和力学感应的转录因子YAP。当异二聚磁性纳米笼关上时，细胞在前24小时不能形成黏着斑；而当异二聚磁性纳米笼打开时，细胞在前24小时能形成黏着斑。与此同时，细胞可以对不同时间打开和关上的异二聚磁性纳米笼作出反应，如在前12小时打开笼，细胞可形成黏着斑；但后12小时关上后则不能，反之亦然。由于黏着斑和YAP对干细胞的成骨分化有着重要的影响，因此打开异二聚磁性纳米笼可有利其成骨分化所表达的早期蛋白ALP和RUNX2，关上则不利其成骨分化。同样，在不同时间的开关能有利或不利其分化。
图4. 异源二聚体磁性纳米笼开关的远程控制改变了体内干细胞的粘附和机械力学的感应
（来源：J. Am. Chem. Soc.）
最后，团队将该平台放置在老鼠体内进行相关实验，其结果与体外实验相同，证明该异源二聚体磁性纳米笼开关能适用于体内。
总结：香港中文大学边黎明团队开发了MNC-(AuNP-RGD)异二聚体纳米笼。这项研究首次提供了可逆配体通过磁力解旋的证据，实现了纳米开关在体外和体内控制干细胞粘附。可逆磁性纳米开关允许时间调节的RGD释放。因此，此磁性纳米开关可用于体内各种细胞功能的时间调节。这个物理的、非侵入性的、非接触式的、可逆的纳米开关可能会提高材料植入物的性能及干细胞再生疗法的效果。该项研究结果于近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，香港中文大学边黎明课题组的博士后Heemin Kang和美国西北大学 （Northwestern University）Vinayak Dravid教授课题组的博士后Hee Joon Jung为共同一作，边黎明教授为通讯作者。
原文链接http://www.chembeango.com/news/art?id=20662
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