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夏幼南教授Adv. Sci.综述:利用电纺纳米纤维调控

期刊综述    2021-09-18 15:23

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主要内容

➣介绍了电纺丝纳米纤维的物理化学特性,作为支撑材料,调控干细胞的迁移和分化。

➣分析了间充质干细胞、神经元干细胞、胚胎干细胞以及诱导多能干细胞与电纺纤维结合的多种系统。

➣对电纺纳米纤维与干细胞结合的挑战和未来机遇提出展望。

 

电纺纤维作为干细胞支架材料

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图1. 不同形貌的纳米纤维SEM图片。

➣以电纺纳米纤维为基础的支架的表面形貌,包括单个纤维的直径、取向和表面粗糙度,以及支架的表面形态,在调节干细胞行为和组织再生方面起着重要作用。

➣纳米纤维的直径可以通过在电纺丝过程中调整工艺参数和/或对纳米纤维进行后处理来控制。支架也可以应用于模拟各向异性结构的一些特定类型的组织,如肌腱、神经和肌肉,通过控制纳米纤维的方向。

 

电纺纤维作为干细胞支架材料

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图2. 示意图说明如何使用电纺纳米纤维操纵各种类型的干细胞向不同表型的分化。

➣电纺纳米纤维的表面化学在调控干细胞的粘附、生长和分化中起着重要的作用。

➣通过物理或化学方法,或两者结合,各种类型的生物活性剂,如ECM成分、生长因子、DNA和有机修饰剂,可以吸附或共价固定在表面上,或集成到大量的纳米纤维,以调节细胞行为。

 

电纺纤维引导和加速干细胞迁移

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图3. A)由纳米纤维排列成放射状排列的蛋白质梯度从中心到外围的示意图。B)分别在经功能化的径向排列纳米纤维、径向排列纳米纤维和经功能化的随机纳米纤维上培养1天后,NSCs的分布。C)用功能化的径向排列纳米纤维培养的NSCs的荧光显微照片。

➣细胞迁移在许多生物过程中都扮演着关键的角色,包括胚胎发生、伤口愈合、组织更新,甚至癌症扩散。在伤口愈合的情况下,有必要将干细胞从周围募集到感兴趣的部位,用于损伤组织的构建和再生。

➣纤维支架的表面可以用生物活性因子分级修饰,以进一步调控干细胞的迁移。

➣通过电喷印,在随机的胶原纳米纤维的无纺布上创建了胶原结合区域的梯度,融合了基质细胞衍生因子‐1 (CBD‐SDF1),然后用该梯度来指导神经干细胞(NSCs)的迁移。

 

电纺纤维指导间充质干细胞分化

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图4. A)电纺PCL纳米纤维不同类型支架的显微照片。B)在无成骨补充剂的情况下,在不同类型的支架上培养50天后,使用茜素红对骨源性hMSCs的成骨进行Ca2+染色的体视显微镜观察。

➣ 电纺纳米纤维非常适合指导干细胞的分化,因为这些细胞能对周围ECM呈现的形貌特征做出反应,并能根据微环境改变其表型。

并比较了骨源性hMSCs在不同显微结构支架上的行为。

➣研究表明在没有成骨补充物的情况下,在电纺纳米纤维制成的支架上观察hMSCs的成骨过程。

 

电纺纤维用于指导神经干细胞分化

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纤维直径在决定NSCs的增殖中起关键作用。与在组织培养板上培养的对照组相比,大鼠NSCs在直径≈280 nm的纤维上少突胶质细胞分化增加40%,在直径≈749 nm的纤维上神经元分化增加20%。

 

电纺纤维诱导多功能干细胞分化

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诱导多能干细胞是另一种具有类似ESC状态的多能干细胞,通常由转录因子对成体细胞进行基因重编程而得。因此,它们为个性化再生医学提供了极好的细胞来源。

 

机遇与挑战

1、 很难制造出大量均匀的纳米纤维,以确保获得的支架的可重复性,从而精确控制干细胞的行为。

2、 构建具有明确三维结构的支架,例如有序的结构和可控制的孔大小,这对于改善干细胞的浸润和最终促进修复组织与宿主的融合非常重要。

3、 为了精确控制干细胞的迁移和定向分化,如何将支架与合适的生化和电化学线索进行最佳组合还需要进一步研究。

4、 构建新型优化的电纺丝纳米纤维支架,为推动临床应用提供了新的机会,包括干细胞治疗和广泛的生物医学新领域。