張 然，羅文亞，朱明盛，吳 瑾，黃興祿，孔德領(lǐng),2

(1.南開(kāi)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 生物活性材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300071)(2.南開(kāi)大學(xué) 徐榮祥再生生命科學(xué)中心，天津 300071)

1 干細(xì)胞治療及納米生物活性材料

干細(xì)胞是一類具有增殖和分化潛能的細(xì)胞，即具有自我更新復(fù)制新生命體的潛力。研究證實(shí)，干細(xì)胞可以修復(fù)、替代受損和死亡的細(xì)胞，激活處于休眠和靜默狀態(tài)的細(xì)胞。干細(xì)胞旁分泌各種促細(xì)胞生長(zhǎng)因子、抑炎因子、抗凋亡因子等，參與和誘導(dǎo)多種免疫調(diào)控機(jī)制，促進(jìn)細(xì)胞與細(xì)胞間、細(xì)胞與細(xì)胞基質(zhì)間信號(hào)的傳導(dǎo)[1]。因此，干細(xì)胞作為種子細(xì)胞，在疾病治療中體現(xiàn)出重要的臨床應(yīng)用價(jià)值和前景。

盡管干細(xì)胞在疾病治療中具有顯著的優(yōu)勢(shì)和重要的地位，但其在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在很多問(wèn)題。首先是安全性，在干細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中添加物如動(dòng)物血清、胰酶等可能會(huì)對(duì)人體造成危害，細(xì)菌、支原體等外源致病因子的污染會(huì)增加質(zhì)控難度。其次是移植有效性，目前較難提取高純度的干細(xì)胞，同時(shí)，干細(xì)胞移植后的存活率較低。所以，干細(xì)胞與生物材料在疾病治療中的聯(lián)合應(yīng)用就應(yīng)運(yùn)而生了。目前常用的生物材料有微納米材料、水凝膠及生物膜仿生材料等。

其中納米材料因其獨(dú)特的理化性質(zhì)在調(diào)控干細(xì)胞行為方面起著越來(lái)越重要的作用，包括示蹤干細(xì)胞在體內(nèi)的命運(yùn)和分布、誘導(dǎo)干細(xì)胞定向分化、促進(jìn)干細(xì)胞疾病“歸巢”、刺激干細(xì)胞旁分泌行為和調(diào)控干細(xì)胞周圍組織微環(huán)境等。在干細(xì)胞治療方面，納米生物活性材料是一類本身具有生物活性或通過(guò)修飾、包覆等手段額外地附加功能性活性分子的材料，可主動(dòng)調(diào)控干細(xì)胞增殖、分化或遷移等，也可輔助干細(xì)胞協(xié)同促進(jìn)干細(xì)胞發(fā)揮在疾病治療上的作用,成為了近幾年的熱點(diǎn)話題之一。本文將重點(diǎn)綜述這類納米生物活性材料在調(diào)控干細(xì)胞治療方面新的研究進(jìn)展。

2 干細(xì)胞分類及間充質(zhì)干細(xì)胞特性

目前細(xì)胞治療中主要用到的干細(xì)胞分為3類，包括胚胎干細(xì)胞、成體干細(xì)胞和誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞。其中，胚胎干細(xì)胞是早期胚胎(原腸胚期之前)或原始性腺中分離出來(lái)的一類細(xì)胞，它具有體外培養(yǎng)無(wú)限增殖、自我更新和多向分化的特性。成體干細(xì)胞包括間充質(zhì)干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞、血液干細(xì)胞和表皮干細(xì)胞等，可取自動(dòng)物體的骨髓、脂肪、上皮、血液等多種部位。誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞是通過(guò)導(dǎo)入外源基因使體細(xì)胞去分化得到的一類多能干細(xì)胞，具有多向分化潛能，在體內(nèi)可以分化為3個(gè)胚層來(lái)源的所有細(xì)胞，在體外可誘導(dǎo)分化成多種細(xì)胞，如表皮樣干細(xì)胞[2]、晶狀體上皮細(xì)胞[3]、心肌細(xì)胞[4]等。間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells,MSCs)因其來(lái)源豐富、易于獲取、可多向分化為多種下游功能細(xì)胞，被作為目前細(xì)胞治療中應(yīng)用最廣泛的種子細(xì)胞。

間充質(zhì)干細(xì)胞的來(lái)源比較廣泛，主要包括脂肪、骨髓、臍帶和臍帶血等，在細(xì)胞治療應(yīng)用方面具有多種優(yōu)勢(shì)：① 強(qiáng)大的增殖能力，其具有高的端粒酶活性，一定程度上可無(wú)限自我復(fù)制；② 低免疫原性，因細(xì)胞可從同源/同體生物體獲取，不易被機(jī)體免疫系統(tǒng)識(shí)別，所以間充質(zhì)干細(xì)胞移植后不會(huì)發(fā)生免疫排斥反應(yīng)；③ 多向分化潛能，可向下游多種功能細(xì)胞分化，包括脂肪細(xì)胞、成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞等[5]；④ 歸巢作用，鑒于損傷炎癥部位會(huì)分泌一些細(xì)胞因子或炎性因子等，其濃度向周圍環(huán)境呈現(xiàn)梯度性分布，故間充質(zhì)干細(xì)胞移植后可主動(dòng)趨向這些因子，向炎癥部位歸巢從而發(fā)揮治療作用，這也是細(xì)胞遷移、植入組織并發(fā)揮功能和保護(hù)作用的重要步驟；⑤ 倫理學(xué)問(wèn)題，自體來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞不存在類似胚胎干細(xì)胞在來(lái)源等方面的倫理學(xué)問(wèn)題。而且，越來(lái)越多的研究表明，間充質(zhì)干細(xì)胞除了極少數(shù)可通過(guò)歸巢至損傷部位修復(fù)組織外，其主要是通過(guò)旁分泌功能發(fā)揮其治療作用。因此，間充質(zhì)干細(xì)胞自身或受到疾病部位微環(huán)境調(diào)控時(shí)，能夠產(chǎn)生一系列不同的細(xì)胞因子，包括促血管生成因子(VEGF、PDGF、Ang-1、bFGF)、免疫調(diào)節(jié)因子(IL-10、HGF、TGFb)、促細(xì)胞新生因子(EGF、IGF)、抗細(xì)胞凋亡因子(Bcl-2)等[6,7]，如圖1所示。

圖1 間充質(zhì)干細(xì)胞分泌的多種具有不同功能的生長(zhǎng)因子Fig.1 Various growth factors secreted by mesenchymal stem cells with different functions

基于以上特性，間充質(zhì)干細(xì)胞已被廣泛用于帕金森綜合癥[8]、阿爾茨海默癥[9]、心血管疾病[10]、肌肉退行性疾病[11]等多種疾病的治療。經(jīng)過(guò)近年來(lái)的發(fā)展，其越來(lái)越多的應(yīng)用已走向臨床試驗(yàn)。如2011年12月中國(guó)人民解放軍第105醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科的汪青松等對(duì)臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療腦梗死和帕金森綜合癥的療效和安全性進(jìn)行了臨床研究，目前正處于II期臨床試驗(yàn)階段[12]。2012年3月中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)總醫(yī)院的安沂華等就臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞股動(dòng)脈介入移植治療脊髓損傷的安全性和有效性開(kāi)展臨床試驗(yàn)，目前正處于II期臨床試驗(yàn)階段[13]。間充質(zhì)干細(xì)胞部分臨床試驗(yàn)可參見(jiàn)表1。

表1 間充質(zhì)干細(xì)胞臨床試驗(yàn)Table 1 Clinical trial of mesenchymal stem cells

3 納米材料在間充質(zhì)干細(xì)胞應(yīng)用方面的設(shè)計(jì)思路

納米材料用于間充質(zhì)干細(xì)胞中主要有兩方面的應(yīng)用，一是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)納米探針示蹤干細(xì)胞命運(yùn)，二是利用納米顆粒自身特性或設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)納米藥物來(lái)提高干細(xì)胞治療效率。

在間充質(zhì)干細(xì)胞用于疾病治療方面，決定細(xì)胞治療效果的關(guān)鍵和前提是細(xì)胞移植或注射后要有足夠數(shù)量的干細(xì)胞到達(dá)病灶部位。因此，這就要求我們必須掌握以下幾方面的信息：① 干細(xì)胞移植或注射后在體內(nèi)的存活和滯留狀態(tài)；② 干細(xì)胞進(jìn)入體內(nèi)的命運(yùn)，尤其是是否以及如何到達(dá)病灶；③ 干細(xì)胞在體內(nèi)的最終命運(yùn)歸宿如何。要想充分了解這些信息，現(xiàn)有的成像技術(shù)或多或少會(huì)存在一些弊端，如小分子探針的細(xì)胞滯留時(shí)間短、體內(nèi)代謝速度快；光學(xué)成像無(wú)法在臨床上應(yīng)用；單一成像模式存在弊端等。納米探針因其尺寸上的生物學(xué)效應(yīng)、作為載體平臺(tái)負(fù)載多種成像模式等方面的優(yōu)勢(shì)，能夠克服目前一些成像技術(shù)的弊端，而被應(yīng)用于了解干細(xì)胞在體內(nèi)的命運(yùn)。

進(jìn)入體內(nèi)或到達(dá)疾病靶組織后，干細(xì)胞如何發(fā)揮治療作用是決定干細(xì)胞發(fā)展?jié)摿Φ闹饕蛩?。目前，間充質(zhì)干細(xì)胞治療效果還有待進(jìn)一步提高，其效果不理想的原因包括：干細(xì)胞定向遷移至損傷部位的能力較弱，且最終富集于損傷部位的數(shù)量有限；干細(xì)胞的旁分泌作用僅改善了整體組織微環(huán)境效應(yīng)，而特異性或定向性針對(duì)某一種因子的調(diào)控能力不足。研究表明，人為干預(yù)這個(gè)治療過(guò)程能有效地彌補(bǔ)或提高治療效率?；诩{米材料的優(yōu)勢(shì)，一些納米材料自身或附加功能分子能夠主動(dòng)調(diào)節(jié)干細(xì)胞的行為，從而提高治療上的效果。其設(shè)計(jì)原理主要分為自身具有一定生物活性的納米材料和附加某些生物活性分子的納米材料。附加的生物活性分子包括化學(xué)小分子藥物、核酸類藥物、多肽類藥物、細(xì)胞因子，如圖2所示。

圖2 附加于納米材料的生物活性分子及其與納米材料之間的負(fù)載方式Fig.2 Bioactive molecules loaded on nanomaterials and their loading patterns with nanomaterials

4 納米探針示蹤間充質(zhì)干細(xì)胞體內(nèi)命運(yùn)

4.1 納米探針設(shè)計(jì)原理

與傳統(tǒng)探針相比，納米探針不僅具有良好的生物相容性和穩(wěn)定性[14]，而且可作為載體負(fù)載各種功能小分子，有效提高納米材料的靶向性、延長(zhǎng)其在體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間，并可顯著提高成像清晰度。因此，納米探針一經(jīng)發(fā)現(xiàn)便引起了廣泛的關(guān)注。納米探針可根據(jù)所要檢測(cè)細(xì)胞的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，像內(nèi)部包覆和嵌入、表面電荷吸附、特定配體修飾等手段[15]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干細(xì)胞的標(biāo)記、特定疾病部位的靶向。

按材料來(lái)分，納米探針主要分為有機(jī)納米探針和無(wú)機(jī)納米探針[16]。有機(jī)納米探針具有生物相容性好、體內(nèi)循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)、負(fù)載可控等優(yōu)勢(shì)，但在體內(nèi)不穩(wěn)定易導(dǎo)致信號(hào)失真，一般僅作為載體應(yīng)用，自身無(wú)法直接用于成像；無(wú)機(jī)納米探針性質(zhì)穩(wěn)定、納米顆?？煽?、可自身成像，但在體內(nèi)不易被快速清理而易導(dǎo)致蓄積性毒性。按成像模式來(lái)分，可分為單一模式成像納米探針和多模式成像納米探針[17,18]。單一模式納米探針易于在材料制備和標(biāo)準(zhǔn)化上進(jìn)行控制，但往往受限于各種檢測(cè)設(shè)備；多模式納米探針可以彌補(bǔ)各種成像模式的缺陷，實(shí)現(xiàn)“一針多用”的通用化成像方式，但不易可控標(biāo)準(zhǔn)化制備、各成像模式可能相互干擾。

4.2 單一模式成像納米探針

熒光成像納米探針是研究者開(kāi)發(fā)的最為常見(jiàn)的納米探針，代表性的有量子點(diǎn)、硅基探針、碳點(diǎn)等。Li等[19]在CdTe/ZnS核殼量子點(diǎn)(QDs)表面用短肽(RGD)和氨基-環(huán)糊精(CD)來(lái)修飾，得到的短肽-環(huán)糊精-量子點(diǎn)(RGD-CD-QDs)納米載體增強(qiáng)了間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)納米顆粒的攝取，從而提高了成像的信號(hào)強(qiáng)度。Lei等[20]使用PEG修飾CdSe/ZnS核殼量子點(diǎn)(PEG-CdSe/ZnS)，通過(guò)二硫鍵與Tat肽偶聯(lián)作為納米探針。研究發(fā)現(xiàn)，PEG包覆量子點(diǎn)可減少細(xì)胞毒性、延長(zhǎng)體內(nèi)循環(huán)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)偶聯(lián)Tat肽的PEG-CdSe/ZnS在體內(nèi)長(zhǎng)期追蹤移植的間充質(zhì)干細(xì)胞?；诠璧募{米材料也可以用于體內(nèi)干細(xì)胞的追蹤。Liu等[21]利用二氧化硅修飾釕納米顆粒(SiO2@Ru)來(lái)標(biāo)記移植的間充質(zhì)干細(xì)胞，并可以促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的分化。Shao等[22]用檸檬酸和乙二胺通過(guò)水熱法制備了基于檸檬酸的碳點(diǎn)及其衍生物1-乙基-5-氧-1,2,3,5-四氫-咪唑-[1,2-a]吡啶-7-羧酸(Et-IPCA)。研究表明，基于檸檬酸的CDs和Et-IPCA能夠長(zhǎng)期跟蹤和促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化，并表現(xiàn)出良好的生物相容性和低毒性。Barron等[23]利用肽包裹的碳納米點(diǎn)追蹤間充質(zhì)干細(xì)胞在體內(nèi)的分布，并監(jiān)控其增殖、分化過(guò)程。結(jié)果顯示碳納米點(diǎn)對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞無(wú)不良影響，這為碳納米點(diǎn)應(yīng)用于組織修復(fù)和再生奠定了基礎(chǔ)。

近年來(lái)，聚集誘導(dǎo)發(fā)光(aggregation-induced emission,AIE)的發(fā)現(xiàn)引起了人們極大的興趣。相對(duì)于傳統(tǒng)熒光成像納米探針，AIE材料在單分子分散狀態(tài)下熒光較弱甚至不發(fā)光，而在聚集狀態(tài)下可發(fā)出較強(qiáng)的光。因此，AIE納米顆粒兼具AIE分子和納米顆粒的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞的標(biāo)記和示蹤。有機(jī)納米點(diǎn)包裹AIE分子制備的成像用納米顆粒，能夠長(zhǎng)期精確地示蹤移植到體內(nèi)的間充質(zhì)干細(xì)胞的行為，為干細(xì)胞治療監(jiān)測(cè)、細(xì)胞優(yōu)化給藥等方面提供了重要的信息[24]。Li等[25]將AIE分子與二氧化硅納米顆粒相結(jié)合用于監(jiān)測(cè)干細(xì)胞的行為，為移植后干細(xì)胞的命運(yùn)提供了重要的信息。

光學(xué)成像較難穿透深層組織，探針很難對(duì)體內(nèi)干細(xì)胞進(jìn)行示蹤。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)、正電子發(fā)射斷層成像(positron emission computed tomography，PET)具有較好的組織穿透性，可應(yīng)用于移植干細(xì)胞在體內(nèi)的成像。MRI是通過(guò)細(xì)胞內(nèi)吞超順磁性氧化鐵(SPIO)納米顆粒，利用核磁共振原理成像對(duì)移植后干細(xì)胞的遷移和歸巢進(jìn)行示蹤[26,27]。Liu等[28]利用低分子量的兩親性多聚乙炔與SPIO納米顆粒形成穩(wěn)定的納米顆粒，該納米顆?？v向弛豫時(shí)間(T2)的弛豫率較高，成像效果良好，能夠精確地示蹤間充質(zhì)干細(xì)胞。PET成像是利用半衰期較短的放射性核素來(lái)標(biāo)記干細(xì)胞，通過(guò)對(duì)放射性核素的定位實(shí)現(xiàn)對(duì)移植干細(xì)胞的示蹤[29]。Dwyer等[30]采用碘化鈉同向轉(zhuǎn)運(yùn)體遞送放射性核素(I-131)至間充質(zhì)干細(xì)胞，進(jìn)行原位成像。該方法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能夠非侵入式攝取示蹤劑(I-131)，從而更多地靶向間充質(zhì)干細(xì)胞，并提高成像的清晰度。

4.3 多模式成像納米探針

為了提高納米探針成像的準(zhǔn)確性和精確性，并實(shí)現(xiàn)成像的多功能化，多模式成像納米探針應(yīng)運(yùn)而生[31]。多模式成像將不同的成像方式有機(jī)結(jié)合，綜合多種成像方式的優(yōu)勢(shì)，增加了檢測(cè)深度、提高了檢測(cè)分辨率和靈敏度，可提供更為全面的成像信息。將間充質(zhì)干細(xì)胞與多模式成像納米探針結(jié)合，用于腫瘤靶向的診療體系，通過(guò)光學(xué)成像、MRI和PET等成像方式的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)腫瘤部位干細(xì)胞的精確示蹤[32]。在間充質(zhì)干細(xì)胞的檢測(cè)中，Sung等[33]制備了一種同時(shí)負(fù)載SPIO納米顆粒和羅丹明B-硫氰酸鹽的二氧化硅納米顆粒，可實(shí)現(xiàn)熒光和核磁共振雙模式成像，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)外對(duì)移植干細(xì)胞的精確示蹤。

5 納米生物活性材料調(diào)控干細(xì)胞行為

5.1 納米材料調(diào)控干細(xì)胞行為

近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)一些納米顆粒不僅起著載體的作用，其自身還能夠主動(dòng)調(diào)節(jié)生物體的活動(dòng)[34]。這些納米顆粒通過(guò)調(diào)控一些分子信號(hào)通路，從而參與干細(xì)胞的增殖、分化、旁分泌。以氧化鐵納米顆粒為例，鐵代謝是維持機(jī)體平衡的重要組成部分，很多蛋白的功能依賴鐵的存在，氧化鐵納米顆粒釋放的鐵離子能夠干預(yù)干細(xì)胞一些關(guān)鍵因子的表達(dá)，如上調(diào)細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄因子HIF-1α的表達(dá)[35]。目前，納米材料主動(dòng)調(diào)控干細(xì)胞行為主要表現(xiàn)為：① 通過(guò)不同的機(jī)制促進(jìn)干細(xì)胞增殖[32,36-39]；② 調(diào)節(jié)干細(xì)胞分化為不同類型的細(xì)胞，包括神經(jīng)細(xì)胞、心肌細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和成骨細(xì)胞[32,36-39]；③ 增強(qiáng)間充質(zhì)干細(xì)胞的旁分泌功能，刺激其產(chǎn)生更多的抗炎和促血管生成因子[35,40-44]，如表2所示。

表2 不同納米材料對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞的調(diào)控機(jī)制及其在疾病治療中的應(yīng)用Table 2 The regulation mechanism of different nanoparticles on mesenchymal stem cells and its application in the treatment of diseases

一些金屬納米顆粒具有促進(jìn)或抑制干細(xì)胞分化的能力[36]。金納米顆粒的大小、形狀和表面修飾可以影響干細(xì)胞對(duì)納米顆粒的攝取，從而影響其對(duì)干細(xì)胞的調(diào)節(jié)作用[34]。在誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化時(shí)，70 nm的棒狀金納米顆粒顯著促進(jìn)了成骨分化，而當(dāng)長(zhǎng)度為40 nm時(shí)則對(duì)干細(xì)胞的成骨分化產(chǎn)生抑制作用。同樣，二氧化鈦納米顆粒的粒徑、形狀不同時(shí)，對(duì)干細(xì)胞的調(diào)控作用也可能截然不同[32]。另一些研究發(fā)現(xiàn)，氧化鐵納米顆?？梢栽谂c間充質(zhì)干細(xì)胞共培養(yǎng)中提高心肌細(xì)胞的間隙連接蛋白43(Cx43)的表達(dá)，這對(duì)于與間充質(zhì)干細(xì)胞的間隙連接通信至關(guān)重要，可產(chǎn)生更高水平的電生理心臟生物標(biāo)志物，提高對(duì)心臟修復(fù)有利的旁分泌，從而達(dá)到治療的目的。Huang等[45]報(bào)道了一種包載磁性鐵納米顆粒，增加了CXC趨化因子受體4型(CXCR4)的表達(dá)，提高了干細(xì)胞的歸巢效應(yīng)。同時(shí)通過(guò)MRI對(duì)注射的攜帶包載磁性鐵納米顆粒的干細(xì)胞進(jìn)行體內(nèi)示蹤發(fā)現(xiàn)，這種納米顆粒有效提高了干細(xì)胞對(duì)急性腦創(chuàng)傷的修復(fù)效果。

石墨烯和氧化石墨烯納米顆粒是介導(dǎo)干細(xì)胞生長(zhǎng)和分化的理想材料[38]。兩者的不同表面特性對(duì)調(diào)節(jié)小鼠誘導(dǎo)多能干細(xì)胞增殖和分化具有不同的效果。石墨烯納米顆粒加速誘導(dǎo)多能干細(xì)胞分化，而氧化石墨烯納米顆粒則維持細(xì)胞處于未分化狀態(tài)[39]。而對(duì)于硅納米顆粒而言，介孔二氧化硅納米顆粒也可以用于干細(xì)胞的調(diào)控[32]。聚合物納米顆粒在干細(xì)胞的調(diào)控中也起到重要作用。當(dāng)殼聚糖納米顆粒與干細(xì)胞共孵育時(shí)，干細(xì)胞顯示出很好的肝靶向能力和控釋特性，并可以刺激其旁分泌釋放出大量的肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子(HGF)和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)，顯著改善急性肝衰竭[41]。

5.2 納米材料附加功能分子調(diào)控干細(xì)胞行為

在納米材料上負(fù)載具有生物活性的分子(如化學(xué)小分子藥物、細(xì)胞因子、核酸類藥物、多肽類藥物等)，來(lái)增強(qiáng)干細(xì)胞增殖、分化、旁分泌等功能，是目前研究的熱點(diǎn)。納米顆粒主要作為載體，提高這些功能分子向干細(xì)胞的遞送和轉(zhuǎn)染效率。如表3所示。

5.2.1 化學(xué)小分子藥物

負(fù)載化學(xué)小分子藥物的納米顆?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)藥物的緩釋和控釋，從而增強(qiáng)MSC在治療中的存活。Wu等[46]將紫杉醇(PTX)加載到二氧化硅納米球中，并摻入金納米棒形成具有介孔的納米球(GNR@HPMOs-PTX)。間充質(zhì)干細(xì)胞與1000 μg/mL GNR@HPMOs-PTX共同孵育得到GNR@HPMOs-PTX@MSC，在光熱處理后，可有效殺死乳腺癌細(xì)胞。注射24 h后體內(nèi)成像顯示，GNR@HPMOs-PTX@MSC比GNR@HPMOs-PTX在腫瘤組織中的分布更均勻且顯著抑制腫瘤的生長(zhǎng)。在Li等[48]的研究中，用二氧化硅納米顆粒作為多柔比星(DOX)的遞送載體(SN-DOX)，通過(guò)與MSC膜蛋白CD73和CD90特異性結(jié)合使SN-DOX有效錨定在間充質(zhì)干細(xì)胞上。這種結(jié)合方式延長(zhǎng)了納米顆粒在間充質(zhì)干細(xì)胞上的保留時(shí)間，同時(shí)負(fù)載藥物DOX可以被運(yùn)送至整個(gè)腫瘤組織。而且，負(fù)載SN-DOX的間充質(zhì)干細(xì)胞可有效地靶向腫瘤細(xì)胞以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的凋亡。Li等[50]觀察到金納米顆粒以濃度響應(yīng)的方式被細(xì)胞高度攝取，故將2,2,6,6-四甲基哌啶-N共軛氧化物(TEMPO)綴合在金納米顆粒表面，實(shí)現(xiàn)了TEMPO向細(xì)胞中的高效遞送。研究還發(fā)現(xiàn)，高濃度的Au-PEG-TEMPO納米顆?？捎行Ы档吞囟ㄅ囵B(yǎng)條件下間充質(zhì)干細(xì)胞的活性氧(ROS)水平，且促進(jìn)其成骨分化，可用于骨質(zhì)疏松癥和其他疾病的干細(xì)胞移植。

表3納米材料附加功能分子對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞的調(diào)控機(jī)制及其在疾病治療中的應(yīng)用
Table3Theregulationmechanismofmesenchymalstemcellsbyfunctionalmoleculesofnanoparticlesanditsapplicationindiseasetreatment

DrugsMaterialsRegulationmethodTypeofdiseaseapplicationChemicaldrugsPTXSiO2nanoparticlesEnhancedrugtargetingBreastcancer[46]ATVPLGAnanoparticlesPromotemesenchymalstemcellsproliferationMyocardialinfarction[47]DOXSiO2nanoparticlesEnhancedrugtargetingGlioma[48]DEXCMCht/PAMAMnanoparticlesPromotemesenchymalstemcellsproliferationanddifferentiationBonerepair[49]TEMPOAunanoparticlesPromotemesenchymalstemcellsdifferentiationOsteoporosis[50]CytokinesTGF-β1,IGF-1PNIPAM,PLGAnanoparticlesPromotemesenchymalstemcellsproliferationanddifferentiationCartilagetissuedamage[51]BMP-2MSNnanoparticlesPromotemesenchymalstemcellsdifferentiationBonerepair[52]FGF18BGnnanoparticlesPromotemesenchymalstemcellsdifferentiationBonerepair[53]EGFPLGAnanoparticlesPromotemesenchymalstemcellsproliferationandangiogenesisIschemicdiseases[54]SDF-1αPPADTnanoparticlesEnhancedrugtargeting,angiogenesisIschemicdiseases,inflammatorydiseases[55]NucleicaciddrugsCCR2-siRNAPMSNnanoparticlesPromotemesenchymalstemcellsproliferationMyocardialinfarction[56]pHGFHMONs-PEInanoparticlesEnhancedparacrineMyocardialinfarction[57]Cbfa-1-siRNAPLGAnanoparticlesPromotemesenchymalstemcellsdifferentiationBonerepair[58]PeptidedrugsIGF-1CChitosanHydrogelPromotemesenchymalstemcellsproliferationandangiogenesisAcuterenalfailure[59]SilkfibroinGOnanofiberPromotemesenchymalstemcellsdifferentiationBonerepair[60]CollagenPLGAnanofiberPromotemesenchymalstemcellsdifferentiationWoundhealing,skinregeneration[61]

5.2.2 細(xì)胞因子

細(xì)胞因子可誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞定向分化，采用納米材料包封的方法可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞因子的緩慢釋放。骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(BMP-2)是有效的骨誘導(dǎo)生長(zhǎng)因子，但在體內(nèi)易被蛋白酶快速降解。將其固定在二氧化硅納米顆粒表面形成BMP-2肽功能化介孔二氧化硅納米粒子(MSNs-pep)，與MSN相比具有更好的細(xì)胞相容性和較大的細(xì)胞攝取率。體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，MSNs-pep促進(jìn)了間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化，且具有誘導(dǎo)體內(nèi)異位骨形成的能力[52]。由于表皮生長(zhǎng)因子(EGF)在體液中被快速降解，Wang等[54]將攜帶EGF的聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)納米顆粒(NP-EGF)包封在藻酸鹽水凝膠微膠囊中(NP-EGF@BM)，從而使EGF與間充質(zhì)干細(xì)胞表面受體相互作用促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖。將由間充質(zhì)干細(xì)胞和NP-EGF@BM整合的膠原水凝膠注射到體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，膠原水凝膠改善了注射部位間充質(zhì)干細(xì)胞的保留和存活，而釋放的EGF增強(qiáng)了間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖及血管生成因子的分泌，從而誘導(dǎo)血管的形成。Tao等[55]將基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1α(SDF-1α)摻入含有ROS反應(yīng)性基團(tuán)硫代縮酮的新型聚合物聚(1,4-亞苯基丙酮二亞甲基硫代縮酮)(PPADT)中，形成了一種ROS響應(yīng)性納米顆粒。將MSC和SDF-1α-PPADT注射入皮膚缺陷的小鼠體內(nèi)后，由于ROS可使硫代縮酮鍵斷裂，使SDF-1α向靶向傷口有效釋放，從而促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞向傷口及其周圍的趨化性，誘導(dǎo)傷口血管形成并加速傷口愈合。因此，ROS響應(yīng)性納米顆?？梢杂糜卺槍?duì)具有ROS升高的各種疾病的生物靶向療法，例如缺血性疾病和炎性疾病。

5.2.3 核酸類藥物

基因工程是改善間充質(zhì)干細(xì)胞體內(nèi)功能的一種方法，間充質(zhì)干細(xì)胞的遺傳修飾通常通過(guò)病毒載體實(shí)現(xiàn)，但由于該方法生產(chǎn)成本高且存在體內(nèi)免疫反應(yīng)，因而具有一定的局限性。相反，非病毒載體克服了這些缺點(diǎn)，具有適合擴(kuò)大生產(chǎn)和減少免疫刺激的優(yōu)點(diǎn)，例如新興的納米材料作為非病毒載體可負(fù)載小干擾RNA(siRNA)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞的修飾從而對(duì)其產(chǎn)生調(diào)控作用。缺血性心臟中Ly6Chigh單核細(xì)胞的募集和浸潤(rùn)與趨化因子CCL2/受體CCR2(CCL2/CCR2)信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)，需要通過(guò)靶向CCL2/CCR2來(lái)控制促炎單核細(xì)胞，改善對(duì)MSC移植有不利影響的炎性微環(huán)境。Lu等[56]將附載siCCR2的光致發(fā)光多孔硅納米顆粒(PMSN)與MSC應(yīng)用于缺血性心肌損傷的治療，siCCR2在Ly6Chigh炎性單核細(xì)胞中靶向CCR2表達(dá)，減少了這些細(xì)胞在梗塞中的積累，從而提高間充質(zhì)干細(xì)胞移植的功效并改善心肌重塑。低分子量的聚乙烯亞胺(PEI)通過(guò)共價(jià)鍵綴合在中空介孔有機(jī)二氧化硅納米顆粒(HMONs)表面后，不僅降低了PEI的細(xì)胞毒性，而且還在HMONs上形成陽(yáng)離子表面,改善了HMONs的基因負(fù)載和保護(hù)能力。Zhu等[57]使用加載肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子基因(pHGF)的HMONs-PEI轉(zhuǎn)染間充質(zhì)干細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)染pHGF的間充質(zhì)干細(xì)胞旁分泌作用得到增強(qiáng)，在心肌梗塞大鼠模型的移植中減輕了心肌細(xì)胞凋亡并促進(jìn)了血管形成。納米材料表面涂覆siRNA也可實(shí)現(xiàn)對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞的誘導(dǎo)。Su等[58]制備的PLGA納米顆粒，其核心負(fù)載軟骨分化相關(guān)蛋白(SOX9)，外層用靶向核結(jié)合因子a1(Cbfa-1)的siRNA包覆。研究發(fā)現(xiàn)，使用PLGA納米顆粒轉(zhuǎn)染的間充質(zhì)干細(xì)胞在mRNA和蛋白質(zhì)水平表達(dá)了成熟軟骨細(xì)胞的標(biāo)志物。

5.2.4 多肽類藥物

模擬生長(zhǎng)因子生物活性的肽通過(guò)共價(jià)偶聯(lián)與材料結(jié)合，可模擬間充質(zhì)干細(xì)胞的生長(zhǎng)微環(huán)境從而控制干細(xì)胞的命運(yùn)。Feng等[59]將胰島素樣生長(zhǎng)因子1(IGF-1)的C結(jié)構(gòu)域肽(IGF-1C)通過(guò)共價(jià)鍵連接在殼聚糖上合成生物活性水凝膠，通過(guò)旁分泌作用增加了間充質(zhì)干細(xì)胞的活力，為間充質(zhì)干細(xì)胞提供了有利的微環(huán)境。在缺血性腎臟中共移植殼聚糖-IGF-1C水凝膠和間充質(zhì)干細(xì)胞，可增加MSC移植的存活率、促進(jìn)血管生成、減輕纖維化并顯著改善腎功能。絲素蛋白是一種很有前途的天然生物相容性蛋白質(zhì)，Shuai等[60]將絲素蛋白與氧化石墨烯制成納米纖維復(fù)合材料，加速了間充質(zhì)干細(xì)胞的生長(zhǎng)及早期細(xì)胞粘附，可在缺乏成骨分化培養(yǎng)基的情況下誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化，促進(jìn)骨組織形成以進(jìn)行骨修復(fù)。膠原蛋白通過(guò)構(gòu)成真皮組分和促進(jìn)上皮細(xì)胞附著來(lái)幫助傷口愈合。在Ma等[61]的研究中，通過(guò)與CD29抗體(Ab)綴合制備膠原/PLGA聚合物納米纖維支架(NFSs)，以模擬天然細(xì)胞外機(jī)制的特性和結(jié)構(gòu)。由于NFSs上的Ab可特異性識(shí)別并結(jié)合間充質(zhì)干細(xì)胞表面的CD29抗原，使間充質(zhì)干細(xì)胞在該支架上快速附著并在特定的傷口環(huán)境中向表皮分化，進(jìn)而促進(jìn)急性全層皮膚創(chuàng)傷中的傷口愈合和皮膚再生。

6 結(jié) 語(yǔ)

干細(xì)胞是疾病治療中非常重要的種子細(xì)胞，但是目前干細(xì)胞治療存在移植后存活率低、不能可視化治療等問(wèn)題，而生物活性納米材料可實(shí)現(xiàn)移植后干細(xì)胞在體內(nèi)的示蹤，實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞的可視化治療，同時(shí)納米材料可負(fù)載化學(xué)藥物、基因藥物等，大大提高干細(xì)胞的治療效果。

納米技術(shù)在輔助或干預(yù)干細(xì)胞在疾病中的治療發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，通過(guò)標(biāo)記和示蹤干細(xì)胞更好地了解了干細(xì)胞是否以及如何發(fā)揮治療效用，通過(guò)納米顆粒本身或負(fù)載一些功能分子可誘導(dǎo)干細(xì)胞定向分化、促進(jìn)干細(xì)胞向損傷部位的“歸巢”、刺激干細(xì)胞旁分泌、調(diào)控干細(xì)胞周圍組織微環(huán)境等，從而顯著提高疾病治療效果。從目前論文發(fā)表趨勢(shì)來(lái)看，這種結(jié)合勢(shì)將會(huì)越來(lái)越普遍和深入。

生物活性納米材料與干細(xì)胞的聯(lián)合應(yīng)用為疾病的治療提供了新的思路，這方面研究涉及生物學(xué)、材料學(xué)、醫(yī)學(xué)和化學(xué)等多門類交叉學(xué)科，涉及亟待解決的瓶頸性難題還很多。例如，干細(xì)胞靜脈注射后主要會(huì)被肺部截留，到達(dá)疾病部位的會(huì)非常有限；干細(xì)胞標(biāo)記用納米探針會(huì)隨著細(xì)胞的擴(kuò)增在細(xì)胞內(nèi)得到稀釋，所以單細(xì)胞的成像信號(hào)會(huì)越來(lái)越低；生物活性納米材料對(duì)干細(xì)胞的正面調(diào)控是否能轉(zhuǎn)化到臨床應(yīng)用。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，我們期望越來(lái)越多的瓶頸問(wèn)題能夠得到解決。