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上海大學(xué)蘇佳燦教授團(tuán)隊(duì) Mater. Horiz.：具備可控表面剛度的雙網(wǎng)絡(luò)DNA-絲素蛋白水凝膠調(diào)控成軟骨分化
2024-01-19  來(lái)源：高分子科技

  骨關(guān)節(jié)炎（OA）是一種以軟骨缺損為主要特征的關(guān)節(jié)疾病，由于其高致殘率，給個(gè)人和社會(huì)帶來(lái)了巨大負(fù)擔(dān)。同時(shí)，現(xiàn)有的臨床治療方案都存在一定的缺陷，無(wú)法滿足軟骨修復(fù)需求。目前，水凝膠被認(rèn)為在組織工程領(lǐng)域有著巨大潛力。值得注意的是，干細(xì)胞會(huì)感知水凝膠的表明剛度從而調(diào)控自身分化命運(yùn)。然而，適宜干細(xì)胞成軟骨分化的最佳表明剛度及調(diào)控機(jī)制尚不明確。因此，構(gòu)建表面剛度可控的水凝膠，探索調(diào)控干細(xì)胞成軟骨分化最佳的表面剛度并闡明其作用機(jī)制有重大意義。



  近日，上海大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院蘇佳燦教授研究團(tuán)隊(duì)首次將DNA與絲素蛋白結(jié)合在一起制備了具備可控表面剛度的雙網(wǎng)絡(luò)DNA-絲素蛋白水凝膠用于調(diào)控干細(xì)胞成軟骨分化（圖1）。其中，DNA通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)形成DNA超分子網(wǎng)絡(luò)，誘導(dǎo)SF分子形成β-折疊。DNA超分子網(wǎng)絡(luò)密度越大，水凝膠的β-折疊含量越高，表面剛度越大（圖 2）。此外，通過(guò)阿利新藍(lán)染色和RT-qPCR等實(shí)驗(yàn)證明，具備適中表面剛度（30.21 kPa）的雙網(wǎng)絡(luò)DNA-絲素蛋白水凝膠更利于BMSCs成軟骨分化（圖 3）。更重要的是，具備適中表面剛度的雙網(wǎng)絡(luò)DNA-絲素蛋白水凝膠可以上調(diào)BMSCs（骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞）的Wnt信號(hào)通路和TGF-β信號(hào)通路，促進(jìn)含膠原的細(xì)胞外基質(zhì)分泌，誘導(dǎo)BMSCs成軟骨分化（圖 4）。最后，將具備適中表面剛度的雙網(wǎng)絡(luò)DNA-絲素蛋白水凝膠植入SD大鼠軟骨缺損模型中進(jìn)行軟骨修復(fù)功能驗(yàn)證。肉眼觀測(cè)及AFM（原子力顯微鏡）表征均顯示具備適中表面剛度的雙網(wǎng)絡(luò)DNA-絲素蛋白水凝膠可以加速軟骨再生修復(fù)（圖 5）。該項(xiàng)工作探索了軟骨修復(fù)水凝膠的最佳的表面剛度及作用機(jī)制，為軟骨修復(fù)水凝膠的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供指引。 


圖1. 具備可控表面剛度的雙網(wǎng)絡(luò)DNA-絲素蛋白水凝膠調(diào)控成軟骨分化示意圖。 


圖 2. 雙網(wǎng)絡(luò)DNA-絲素蛋白水凝膠表面剛度測(cè)試。 


圖 3. 表面剛度適中的DNA-絲素蛋白水凝膠更利于干細(xì)胞成軟骨分化。 


圖 4. 轉(zhuǎn)錄組分析測(cè)試：DNA-絲素蛋白水凝膠促BMSCs成軟骨分化機(jī)制。 


圖 5. DNA-絲素蛋白水凝促軟骨再生修復(fù)體內(nèi)功能驗(yàn)證。


  該工作以 “Dual-network DNA-Silk fibroin hydrogels with controllable surface rigidity for regulating chondrogenic differentiation” 為題發(fā)表在《Materials Horizons》上。上海大學(xué)為第一作者單位，蘇佳燦教授、耿振副研究員、李蒙蒙助理研究員和張琴副研究員為文章的共同通訊作者，周紫陽(yáng)碩士、宋沛然博士后、吳琰博士后和王苗苗博士為文章的并列第一作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目和重點(diǎn)項(xiàng)目等資助。


  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/MH/D3MH01581E

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