山大桑元华教授、刘宏教授与北大邢国刚教授《Adv. Mater.》：羟基磷灰石纳米材料加快神经分化与神经元发育

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山大桑元华教授、刘宏教授与北大邢国刚教授《Adv. Mater.》：羟基磷灰石纳米材料加快神经分化与神经元发育
2021-07-16 来源:中国聚合物网点击次
关键词：纳米材料

引言

世界卫生组织预测，到2040年，神经退行性疾病将会取代癌症，成为人类第二大致死性疾病。神经干细胞（NSCs）移植是治疗神经退行性疾病最有前景的方法之一。然而，NSCs自发分化缓慢，阻碍了其在神经修复中的应用。虽然一些生物生长因子加速了NSCs的分化，但其成本高、半衰期短以及手术的复杂性阻碍了其临床应用，目前急需安全有效的方式用于实现对NSCs命运的调控。

成果简介

有鉴于此，山东大学桑元华教授，刘宏教授和北京大学邢国刚教授（共同通讯作者）将羟基磷灰石（HAp）这一常见的骨修复材料，首次应用于调控NSCs命运，促进NSCs神经分化以及神经元的成熟。研究合成了尺寸均一，适合细胞胞吞的HAp纳米棒，作为一种无机生长因子，HAp纳米棒具有良好的生物相容性，该纳米材料富含对NSCs命运调控具有重要作用的钙离子，而且具有无机材料的缓释和长效优势。实验结果显示，HAp纳米棒可以促进NSCs向神经元分化以及成熟，使得NSCs在分化5天内成为表现出明确电生理行为的成熟神经元，这种方法明显优于之前需要两周甚至更长时间的自然分化。通过基因测序探讨了HAp通过胞吞和黏附两种途径发挥作用的机制。相关研究成果以“Hydroxyapatite nanorods function as safe and effective growth factors regulating neural differentiation and neuron development”为题，发表于国际著名期刊Advanced Materials (IF=30.849)上，并于获评Front Cover文章。山东大学博士研究生郝敏为本文第一作者。

在此基础上，桑元华教授和刘宏教授（共同通讯作者）探讨了不同尺寸的一维HAp纳米结构材料对神经干细胞分化的不同调控作用。该研究成果以“Synergistic effect of endocellular calcium ion release and nanotopograpy of one-dimensional hydroxyapatite nanomaterials for accelerating neural stem cell differentiation”为题发表在期刊Composites Part B: Engineering (IF=9.078)上，山东大学硕士研究生何建龙和博士研究生郝敏为共同第一作者。

图文导读

图1: 材料表征及生物相容性。(a) HAp纳米棒TEM；Scale bars, 50 nm. (b) HAp纳米棒HRTEM；Scale bar, 5 nm. 插图为FFT图；(c) HAp纳米棒XRD；插图为实物图；(d) 不同浓度HAp纳米棒培养NSCs 48h后活/死染色；Scale bar, 200 mm. (e) 不同浓度HAp纳米棒培养NSCs 48h后的细胞存活率；(f) CCK-8检测；(g) F-actin, nestin免疫荧光染色；(h) HAp预期作用说明。

图2：mRNA和蛋白表达分析。(a) 神经特异性基因RT-qPCR分析；(b, c) NSCs培养10天后特异性标志物Tuj1和GFAP蛋白免疫荧光染色及平均荧光强度分析；(d, e) NSCs培养13天后特异性标志物Tuj1和MAP2蛋白免疫荧光染色及平均荧光强度分析；Scale bars, 30 mm (b, d). (f, g) Tuj1, GFAP,以及 MAP2 细胞比例；(h) NSCs培养10天和13天后的Sholl分析。

图3：NSCs与HAp纳米棒相互作用细节分析。(a)对特异性基因进行不同时间点RT-qPCR表达追踪；(b, c)NSCs-SEM分析；Scale bars, 8 mm (the scale bars of the inset is 20 mm). (d)电生理分析；(e, f) NSCs培养5天后特异性标志物Tuj1和MAP2蛋白免疫荧光染色；(g, h) NSCs培养5天后特异性标志物MAP2和GFAP蛋白免疫荧光染色。Scale bars, 50 mm (e–h).

图4：NSCs与HAp纳米棒的位置关系。(a, b) 细胞TEM； Scale bars, 1 mm (the scale bars of the inset is 5 mm). (c) 不同时间点溶酶体, Tb:HAp 成像；Scale bar, 20 mm. (d)位置关系原理图。

图5：机理分析。(a) 差异基因热图；(b) RT-qPCR 验证；(c) 差异基因相互作用网络；(d) Top 30通路富集情况；(e) GO 分析；(f) 机理解释。

图6：体内NSCs存活以及分化。(a) 细胞封装以及皮下注射示意图；(b) H&E染色； Scale bars, 20 mm. (c) 特异性标志物Tuj1, GFAP, 和MAP2表达分析。Scale bars, 30 mm.

小结

这项研究评估了无机纳米材料HAp纳米棒促进NSCs分化和成熟的潜力。通过分析神经特异性基因和蛋白的表达，证实了HAp纳米棒对NSCs命运的调控作用。电生理分析也探测到来自成熟神经元的动作电位，表明HAp纳米棒促进了NSCs向成熟和功能神经元的分化。通过分析NSCs和HAp的位置关系以及基因测序，HAp纳米棒促进NSCs分化和神经元成熟的机理被分析。此外，证明了在体内给mNSCs使用HAp纳米棒能够促进NSCs的存活和向神经元分化。因此，HAp纳米棒对NSC分化和成熟的强大影响表明HAp是神经修复；缓释长效治疗的理想候选药物。

近年来，团队充分发挥山东大学重点实验室材料学科优势，致力于医工交叉生物材料的研究，包括生物支架材料（Nanoscale 2016，8, 1897-1904），纳米材料（Small 2019, 15, 1905001）等。研究材料结构特性对干细胞分化的影响（Nano Lett. 2018, 18, 4, 2243-2253; Small 2016, 201503946），讨论功能材料介导的物理信号对干细胞分化的调控作用（Nano Energy 2021, 87, 106192）, 物理信号介导的免疫调节(Adv. Sci. 2021, 8, 2100962)等。相关工作的开展，有望从材料、材料物理的角度为医学问题提供参考的解决思路。

作者简介

桑元华，山东大学晶体材料研究院教授，博士生导师。主要从事纳米能源转化材料的研究、铌酸锂晶体生长及应用研究、以及生物组织工程材料及干细胞分化相关的研究。作为项目负责人承担了包括重点研发专项-政府间科技合作项目、山东省杰出青年基金、山东省重大创新工程项目、青年自然基金项目和博士后项目等，作为第一作者或者通讯作者在包括Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., 等国际重要学术期刊上发表41篇，其他合作文章60篇，EIS高被引论文11篇，个人H因子37，获得发明专利授权16项。

邢国刚，教授，博士生导师，北京大学神经科学研究所副所长。主要研究慢性痛，揭示疼痛慢性化及共病焦虑抑郁的外周与中枢机制。2003年至今于北京大学神经科学研究所历任讲师(2003年)、副教授(2004年)、教授(2013年)。主持和参加包括国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家重点基础研究发展计划(“973”计划)课题、国家重大科研仪器研制项目、国家重点研发计划项目、国家卫健委行业专项基金、国防科技创新特区项目等多项国家级与省部级课题，在Molecular Psychiatry, The Journal of Neuroscience, Pain, Science Signaling等国内外学术期刊上发表研究论著90余篇。参加编写国家卫健委“十三五”规划教材《生理学》及《康复生理学》（人民卫生出版社）等教材和专著8部。获得北京市自然科学奖二等奖（2019年）、北京市科学技术奖二等奖（2012年）和中国针灸学会科学技术奖二等奖（2010年）等奖项。

刘宏，山东大学晶体材料国家重点实验室，济南大学前沿交叉科学研究院，教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。主要研究方向：生物传感材料与器件，组织工程与干细胞分化、纳米能源材料，等。十年来，主持了包括十五、十一五、十二五863、十三五国家重点研发项目和自然基金重大项目、自然基金重点项目在内的十余项国家级科研项目，取得了重要进展。在包括Adv. Mater., Nano Letters，ACS Nano，J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater，Envir. Eng. Sci., 等学术期刊上发表SCI文章400余篇，总被引次数超过20000次，H因子为67，30余篇文章被Web of Science的ESI（Essential Science Indicators）选为 “过去十年高被引用论文”（Highly Cited Papers (last 10 years))，文章入选2013年中国百篇最具影响国际学术论文，2015和2019年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。2018，2019，2020年连续三年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。授权专利30余项，研究成果已经在相关产业得到应用。2019年获山东省自然科学奖一等奖。