摘要
干细胞是组织修复和再生的理想选择，但是它的自发分化能力有限，没有外部干预的情况下利用干细胞进行组织修复具有挑战性。尽管生物分子或离子显示出特定有效的功能，但也存在诸如体内扩散、降解和内吞困难等局限性。纳米工程生物材料提供了一种有效的解决方案，通过将这些可溶性调节分子和离子进行固化和纳米化，提升干细胞对它们的吸收效率。一旦进入溶酶体，这些纳米颗粒就会以可控的“分子或离子风暴”形式释放其内容物，有效改变细胞内的生物和化学微环境，从而调节干细胞的分化。近年来，这种新兴的干细胞命运调控方法备受关注。刘宏教授团队概述了纳米工程生物材料的设计原则和特点，总结了其在干细胞治疗领域的最新进展和相关应用，讨论了其在再生医学方面的应用前景。
图1 纳米颗粒种类及其在干细胞治疗领域应用示意图。
主要内容
1. 用于干细胞治疗的纳米颗粒的种类
近年来，在探索用于干细胞应用的多功能纳米颗粒方面取得了巨大进展，包括将功能化颗粒定制为纳米载体，用于包封或结合小分子以实现受控释放，以及通过合成有机装载纳米颗粒或通过脂质体等载体实现药物递送，从而推动干细胞疗法的发展。本节深入探讨了适用于干细胞治疗的纳米颗粒材料的进展，涵盖无机金属纳米粒子、无机非金属纳米粒子、有机纳米粒子和特殊的杂化金属有机框架（MOF）。首先，本文介绍了纳米粒子在调节细胞命运中的各种内吞机制；其次，总结了不同纳米粒子的合成方法和当前应用情况，突出了它们在干细胞治疗中的不同效果。此外，本文还详细讨论了这些纳米粒子的优缺点，并阐明了其在干细胞治疗中的具体挑战和未来发展方向。
2. 纳米颗粒调控干细胞分化及应用
本节重点介绍了纳米颗粒在调节干细胞分化方面的具体应用和最新进展，涵盖了四个领域：骨、软骨、脂肪生成和神经。在生物医学领域，纳米粒子通过调控不同类型干细胞的分化，刺激细胞内分化信号并实现靶向细胞转化，修复受损组织或治疗疾病。神经退行性疾病、软骨损伤和骨质疏松症等疾病的发生与成体干细胞活力下降有关。因此，研究干细胞分化对开发治疗这些疾病的有效方法至关重要。纳米粒子在促进干细胞分化方面的潜力已得到充分验证。例如，利用纳米颗粒促进神经干细胞分化以治疗神经退行性疾病的研究已在动物实验中显示出可行性和良好前景（图2）。本节回顾了这四种组织相关疾病所面临的挑战和现有治疗方式，并总结了纳米粒子促进干细胞分化实现根源性治疗重大疾病的策略。同时，提出了在研究纳米颗粒促进干细胞分化过程中需要考虑的问题。
图2 纳米颗粒进入NSCs治疗神经损伤疾病。
总结
随着生命科学与材料科学的交叉融合，干细胞疗法的临床转化正在逐步推进。使用具有多学科优势的纳米颗粒进行干细胞治疗，有望成为未来医学的基石。然而，目前对纳米颗粒诱导干细胞分化的具体分子机制理解尚不完善，某些因子的表达机制尚未得到完全阐明。这种理解上的局限极大地制约了纳米粒子介导的细胞调控的精确性。因此，本文提出了基于纳米粒子的干细胞疗法未来研究的几个关键领域，并概述了纳米粒子设计的基本原则与方向。本文旨在为读者提供纳米颗粒在干细胞治疗中的合成与应用的清晰思路，推动这一领域的进一步发展。
通讯作者
刘宏，山东大学晶体材料国家重点实验室教授，济南大学前沿交叉科学研究院院长，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，主持和参加了国家863、973和国家自然科学基金重大项目等10余项，连续六年被Clarivate评为“全球高被引科学家”。研究方向为纳米材料的化学处理在能源方面的应用，包括光催化、组织工程（尤其是干细胞与生物材料纳米结构之间的相互作用）以及非线性光学晶体。
论文信息：
Nanoengineered Endocytic Biomaterials for Stem Cell Therapy
Yingxue Wang, Chunhui Sun*, Zhaoying Liu, Shengmin Zhang, Ke Gao, Fan Yi, Wenjuan Zhou*, Hong Liu*
Advanced Functional Materials
DOI: 10.1002/adfm.202410714
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Advanced
Functional
Materials
期刊简介
《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）是Wiley出版社旗下材料科学知名期刊之一，专注发表纳米技术、化学、物理、生物等应用领域中有关材料科学的重大突破。
WILEY
MaterialsViews
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