干细胞如间充质干细胞（MSC）具有多向分化潜能，可以在一定条件下特异性分化为成骨细胞、软骨细胞、神经细胞、心机细胞等多种类型细胞，治疗骨质疏松、骨关节炎、阿尔兹海默病及心肌梗塞等多种疾病。目前临床上使用MSC治疗疾病的关键问题是如何有效的体内控制诱导其定向分化为某一类型的细胞，从而可以针对性的治疗某一种疾病，例如分化为软骨细胞治疗骨关节炎。
鉴于此，华南师范大学黎锦明研究员团队设计构建了一种基于上转换纳米颗粒的细胞培养基底，通过近红外光光照时间长短和功率大小不同，调控MSC在上转换纳米基底上的粘附、伸展及多向分化。作者首先合成了Tm掺杂的核壳型上转换纳米颗粒（UCNP），随后在UCNP表面进行硅层包裹以便于表面修饰，修饰得到的UCNP@SiO2通过NHS-PEG-MAL linker连接到玻璃板上，最后在UCNP表面修饰RGD细胞粘附多肽和ONA光响应配体得到近红外光激活的UCNP-substrate。研究表明，在近红外光的照射下，UCNP-substrate上的UCNP可以将近红外光转换为紫外光，使得光响应配体ONA从细胞粘附肽RGD末端解离出来，从而恢复RGD多肽细胞粘附功能，加入的MSC得以粘附在UCNP-substrate上增值生长，从而实现体内外“光控细胞特异粘附”。此外，通过调节近红外光功率的大小和照射时间，可以实现UCNP-substrate上光响应配体ONA解离程度的不同和RGD多肽活化的数量差异，从而引起MSC在UCNP-substrate上生长伸展状态的不同：当近红外光功率较小时（0.5 W/cm2），RGD活化数量较少，UCNP-substrate对MSC的拉伸力较弱，细胞生长状态较为椭圆，从而倾向于分化为成脂细胞；当近红外光功率较大时（2 W/cm2），RGD活化数量较多，UCNP-substrate对MSC的拉伸力较强，细胞生长状态较为扁平，从而倾向于分化为成骨细胞，由此实现了“光控细胞多向分化”（示意图）。
示意图：UCNP-substrate近红外光控制诱导MSC粘附及多向分化。
实验结果表明，合成的UCNP@SiO2具有较好的纳米尺寸和较强的荧光发射；通过NHS-PEG-MAL linker可以很好的连接到玻璃板上，形成UCNP-substrate；近红外光照射UCNP-substrate后，光响应ONA可以有效的从substrate上解离下来，从而改变UCNP-substrate表面张力（图1）。
图1. UCNP@SiO2及UCNP-substrate的表征和近红外光照释放ONA及改变substrate表面张力。
细胞粘附实验表明，近红外光照射UCNP-substrate后，MSC可以有效地粘附在substrate上进行生长；MSC粘附在UCNP-substrate上的数量和近红外光照射的功率大小及照射时间相关：照射功率越大，照射时间越长，细胞粘附的数量越多（图2a）；同时MSC粘附在UCNP-substrate上后，其生长伸展的形态亦和近红外光照功率大小相关：照射功率较小时，细胞形态为椭圆形，照射功率较大时，细胞形态较为伸展，为扁平状（图2b）。
图2. 近红外光控制诱导MSC在UCNP-substrate上的粘附（a）及生长伸展（b）。
细胞分化实验表明，近红外光可以调控MSC在UCNP-substrate上的多向分化：当近红外光照强度较弱时，光响应分子ONA从substrate上解离的程度较弱，RGD细胞粘附肽活化的数量较少，对生长在substrate上的MSC拉伸力较弱，细胞形态较为椭圆，此时MSC倾向于分化为成脂细胞；当近红外光照强度较强时，光响应分子ONA从substrate上解离的程度较大，RGD细胞粘附肽活化的数量较多，对生长在substrate上的MSC拉伸力较强，细胞形态较为扁平，此时MSC倾向于分化为成骨细胞。RT-PCR和ALP/OR染色结果都验证了这一结果（图3）。
图3. RT-PCR（a）和ALP/OR染色（b）结果表明近红外光可以调控MSC在UCNP-substrate上的多向分化：光照强度较弱时，MSC分化为成脂细胞；光照强度较强时，MSC分化为成骨细胞。
动物实验结果表明，UCNP-substrate可以在近红外光调控下，体内控制诱导MSC在substrate上的特异性粘附：光照时间越长，光照功率越大，细胞在substrate上的粘附数量越多（图4）。
图4. 近红外光体内控制诱导MSC在UCNP-substrate上的粘附。
同时，近红外光亦可体内控制诱导MSC在UCNP-substrate上的多向分化：光照强度较弱时，体内UCNP-substrate上的MSC倾向于分化为成脂细胞；光照强度较强时，体内UCNP-substrate上的MSC倾向于分化为成骨细胞。植入体内的UCNP-substrate取出后进行ALP/OR、免疫组化及免疫荧光染色结果验证了这一点（图5）。
图5. 体内近红外光控制诱导MSC在UCNP-substrate上的多向分化。
该工作以“Near-Infrared Light-Controlled Activation of Adhesive Peptides Regulates Cell Adhesion and Multidifferentiation in Mesenchymal Stem Cells on an Up-Conversion Substrate”为题发表在Nano Lett.上（2022, 22, 2293-2302）。华南师范大学生物光子学研究院2019级硕士研究生郭玉娇为文章第一作者，文章通讯作者为中山大学肿瘤防治中心杨安力博士和华南师范大学生物光子学研究院黎锦明研究员。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04534
