纳米层状双氢氧化物（LDH）在干细胞命运调控中的研究进展及前景展望

撰文│汪世龙

编辑│毕紫娟

审校│汤红明

大量研究表明，溶液介质和细胞外基质等对调控干细胞的生长和分化具有重要作用，并通过多种信号通路调控干细胞命运。近年来，生物材料的发展及应用为组织工程和再生医学领域带来了巨大机遇。目前，生物材料对干细胞命运的调控主要是利用材料的特殊组成和形貌结构等性质，通过物理化学信号刺激，打破干细胞的静止状态，进而达到调控干细胞命运的作用。在众多生物材料中，层状双氢氧化物（layered double hydroxide，LDH）作为一种生物可降解的无机纳米材料，在干细胞命运调控中展现出巨大应用潜力。本文就课题组在“LDH在干细胞命运调控中的应用”所取得的成果进行简要介绍。

一、LDH概述

LDH又称为水滑石或阴离子黏土，具有良好的正六边形片层结构，其结构通式为[M²⁺_1-xM3⁺_x（OH）₂]^x+（A^m-）_x/m·nH2O；其中M²⁺为二价阳离子，包括Mg²⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Mn²⁺等，M³⁺为三价阳离子，包括Al³⁺、Fe³⁺、Gd³⁺等，A^m-为非骨架的可交换阴离子，包括如CO₃^2-、Cl^-、NO^3-、SO₄^2-等，x为三价阳离子占所有阳离子的摩尔比，值的大小一般在0.16～0.33。对于电荷补偿，正电荷层与可交换的层间阴离子平衡，形成以1∶1顺序排列的二维层状复合结构。利用LDH片层阳离子的可变性和层间阴离子的可交换性，可制备不同金属离子组成、不同层间阴离子及不同尺寸的各种结构。

独特的板层结构及电性决定了LDH的性质，使其在生物医学领域展现出诸多优点和应用潜能。

（3）可调节的元素组成，使得LDH除了运送药物和基因调控细胞之外，本身也会对细胞的命运产生影响。

近十年来，笔者所在课题组就LDH在胚胎干细胞（embryonic stem cells，ESC）、间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSC）、神经干细胞（neural stem cells，NSC）及肿瘤干细胞（cancer stem cells，CSC）等中的作用进行了系列探索，针对相关分子调控机制进行了研究。下面从LDH在ESC的干性维持、MSC的诱导分化、NSC的神经再生及对CSC的抑制等方面的作用进行介绍。

二、LDH调控干细胞的作用与机制研究

ESC在生物学研究及临床前研究中都有着广泛应用，如哺乳动物胚胎发育研究、疾病模型建立、药物筛选开发等。因此，如何准确地对ESC自我更新和分化进行调控，对干细胞的应用和研究至关重要。白血病抑制因子（leukaemia inhibitory factor，LIF）依赖的滋养层细胞培养体系是ESC体外扩增的传统方法，该体系操作过程烦琐、培养成本高。笔者所在课题组于2015年首次提出了LDH能够维持小鼠胚胎干细胞（mouse embryonic stem cells，mESC）的自我更新能力，发现阳离子为镁铝组成的LDH（Mg-Al LDH）能够在去除滋养层细胞和LIF的条件下维持mESC在体外扩增中的自我更新能力，且不损伤其向三胚层分化的潜能。该工作从细胞信号通路水平上就Mg-Al LDH的作用进行机制解析，发现Mg-Al LDH是通过促进LIF受体（leukaemia inhibitoryfactor receptor，LIFR）下游PI3K-Akt信号通路的活化来维持mESC的多能性。课题组在进一步研究中发现，LDH的粒径大小影响其对mESC自我更新的维持效果，与100nm、30nm的LDH相比，50nm的LDH表现出更显著的功能。这种功能一方面可能与mESC对50nm LDH有着更强的吞噬效果有关，另一方面通过对上皮－间质转化（epithelial–mesenchymal transition，EMT）过程分析，发现50nm LDH能更有效抑制mESC的EMT过程，进而抑制细胞的分化。

由于ESC的临床转化面临伦理、道德、法律，以及细胞突变、组织排异和成瘤的风险，研究将进一步聚焦于更具临床转化潜力的MSC中。MSC是一种多能干细胞，具有向骨、软骨、脂肪、肌肉、肌腱等中胚层谱系细胞分化的能力，容易分离、扩增，并具有低免疫原性等特点，是组织工程中理想的“种子细胞”，如何在体内外高效地调控其定向分化是当今研究热点之一。笔者所在课题组的研究发现Mg-Al LDH能够显著促进大鼠骨髓来源MSC（rat bone marrow derived-MSCs，rBMSC） 的成骨分化，促进成骨相关标志物及碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）的表达。通过RNA-seq对Mg-Al LDH诱导rBMSC成骨分化的分子机制进行深度解析， 发现Mg-Al LDH一方面通过与LGR5相互作用促进β-catenin核转位来刺激细胞成骨分化，同时通过抑制脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）诱导的NF-κB信号通路的激活，来提高炎症条件下细胞的成骨分化，提示Mg-Al LDH具有减轻炎症反应和促进骨再生修复的双重作用。另一方面，组成LDH的阳离子具有可替换性，通过引入活性金属阳离子赋能LDH新的生物学效应。有研究者将La³⁺替换掉一部分Mg-Al LDH中的Al³⁺构建了La-LDH，发现La-LDH能显著提高LDH的促成骨功能。机制分析表明La-LDH具有促成骨及抑制破骨的双重作用，La-LDH不仅能通过激活Wnt/β-catenin信号通路促进rBMSC的增殖和成骨分化，上调ALP、Runx-2、COL-1和OCN基因的表达，还能通过下调NF-κB信号通路来抑制rankl诱导的破骨细胞生成，进而抑制破骨发生。

CSC是肿瘤组织中的一群具有无限增殖并能自我更新的细胞群，在肿瘤的生长、转移和复发过程中发挥重要作用。然而CSC具有抗放疗和化疗特性，因此，如何有效杀伤CSC是防止肿瘤复发的关键问题之一。LDH具有pH敏感性，能够在微酸性的肿瘤微环境中崩解。笔者所在课题组利用LDH作为载体，搭载CSC低敏感性的抗肿瘤药物VP16，构建了LDH-VP16，作用于人脑胶质瘤干细胞（human glioma stem cells，hGSC）。发现LDH的搭载能显著提高VP16对hGSC的敏感性，降低hGCS干性基因的表达，抑制细胞周期进程，促进细胞凋亡，最终降低肿瘤的恶性程度并有效杀伤hGCS。分子机制分析揭示LDH-VP16通过协同抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路和Wnt/GSK3β/β-catenin信号通路来抑制hGSC的自我更新。同时PI3K/Akt/mTOR信号通路的下调能进一步促进hGSC的凋亡进程。证明了LDH-VP16对hGSC的靶向杀伤功能，为LDH基纳米药物应用于CSC的研究及临床治疗提供了重要的理论依据。

三、前景展望

（1）除现有已经揭示的调控靶点外，LDH对其他干细胞重要信号通路及基因的影响有待进一步揭示。

（2）深入探讨LDH元素、结构及粒径等理化性质与干细胞命运调控之间的规律，能够实现LDH的个性化设计并精准调控干细胞命运，有望应用于细胞治疗及再生修复。

（3）LDH应用于体内组织工程仍需借助于组织工程支架，构建与LDH相契合的支架材料，以便促进其在组织工程中的应用。

（4）LDH在生物体内的示踪及生物屏障透过等问题仍是LDH应用于干细胞临床转化所需解决的重要问题。

（5）LDH目前主要处于基础研究或实验室应用研发阶段，建立完整的LDH质量标准以早日实现产业化，推动LDH对干细胞命运调控从实验室走向临床是研究者们共同努力的方向和目标。

撰稿作者简介

汪世龙 教授

现任同济大学生命科学与技术学院、附属东方医院双聘教授，主要从事纳米材料的生物效应研究。曾任中国生物化学与分子生物学理事、上海市生物化学与分子学学会第十二届副理事长、中国抗癌协会肿瘤学专业委员会常务委员，Nano Biomedicine and Engineering期刊编委。在Advanced Composites and Hybrid Materials、Advanced Functional Materials、Acs Nano、Chemical Engineering Journal、Advanced Science、Biomaterials等期刊上发表被SCI 收录的学术论文150余篇。主编的《蛋白质化学》获上海市普通高校优秀教材奖。

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