看韓國淑明女子大學Kyung Min Choi教授如何利用MOFs控制神經干細胞的分化

一、【導讀】

金屬-有機框架（MOFs）是一種由金屬離子和有機配體構成的化合物，由于其晶體結構的顯著均勻性和各種因素的可變性，包括結構類型、有機功能性、幾何形狀、含金屬單元的大小、孔的大小和納米晶體的大小，已成為一種很有前途的多孔材料。MOFs的這些優點已經被應用到了各個領域中，包括鋰離子電池、氣體分離、氣體儲存和催化。MOFs的功能，尤其是其出色的捕獲和釋放感興趣的分子，對生物學研究極為有利。具體而言，幾種基本的生物分子，包括大塊金屬（如鉀、鈣和鎂）、微量金屬（如鋅、鐵和錳）、氨基酸、神經遞質，甚至維生素，可以在MOFs中長期儲存和不斷釋放。因此，這種嵌入生物分子的MOFs對于控制干細胞命運非常有用，可以部分替代體內周圍3D細胞微環境的作用。然而，為了充分發揮MOFs作為穩定分化因子供應者的潛力，應避免細胞與MOFs之間的物理接觸，包括它們被細胞質吸收，以防止MOFs的結構變形，并避免MOFs對靶細胞的潛在細胞毒性或不利影響。

二、【成果掠影】

近日，韓國中央大學Tae-Hyung Kim教授和韓國淑明女子大學Kyung Min Choi等人合作，以“Single metal-organic framework–embedded nanopit arrays: A new way to control neural stem cell differentiation”為題在Science Advances期刊上發表重要研究成果。作者使用單一金屬-有機框架(MOF)納米粒子——嵌入納米陣列(SMENA)，可以高效地生成神經干細胞。通過優化均勻周期性納米形態的物理參數，每個納米圖可以限制單一的nMOFs (UiO-67)，這些nMOFs是專為維甲酸(RA)的長期存儲和釋放而設計的。SMENA方法成功地抑制了與細胞的物理相互作用，這有助于nMOF (RA?UiO-67)結構的顯著穩定性，而不誘導納米顆粒介導的毒性問題。由于RA的持續和長期供應，神經干細胞的各種神經發生相關活動的mRNA表達增強。作者開發的SMENA方法也可以應用于其他干細胞來源和分化譜系，因此可用于各種基于干細胞的再生療法。

三、【圖文解析】

圖1. SMENA原理圖。

圖2. RA?nUiO-67的合成與表征。

圖3. SMENA的表征。

圖4. 在多次傳代過程中監測各組培養的神經干細胞的多能性。

圖5. 與神經發生有關的基因和蛋白質分析。

圖6. NSCs分化細胞mRNA總表達量分析。

四、【成果啟示】

綜上所述，作者在體外開發了用于控制神經發生的SMENA。nUiO-67納米粒子可以在較短的孵育時間（<48小時）內裝載RA，并且能夠在較長時間（>14天）內釋放RA。盡管RA?nUiO-67在傳統培養條件下不穩定，但在保護RA免受降解和異構化方面也表現出優異的性能。那均勻的納米粒子陣列在捕獲單個RA?nUiO-67粒子方面極為有效。納米顆粒中的RA?nUiO-67由于防止細胞攝取而在長時間培養期間保持穩定，可以在不損害其多能性的情況下控制小鼠NSCs的神經發生。成熟神經元的代表標志物NeuroD1和MAP2在RA-SMENA上的表達水平分別比在常規分化培養基的組織培養皿上分化的細胞高43.67和41.3倍。此外，大約1153個與神經發生相關的基因在RA-SMENA中選擇性上調，根據KEGG通路分析，其中大部分與RA介導的神經元分化有關。

由于RA?nUiO-67納米顆粒可以通過控制nMOF的孔隙大小、孔隙體積和顆粒大小來重組以裝載不同類型的生物分子(例如，咖啡酸、米諾地爾和抗壞血酸)，開發的方法潛力非常高。具體地說，多能干細胞可以使用多分化因子負載的SMENA方法以更高效、更方便的方式轉化為所需的細胞類型。此外，使用先進的SMENA方法可以實現來自相同干細胞源自發的多系分化。因此，作者可以得出結論，已開發的SMENA方法具有廣泛的應用潛力，因此在基于干細胞的再生療法中非常有前景。

文獻鏈接：Single metal-organic framework–embedded nanopit arrays: A new way to control neural stem cell differentiation. Science Advances, 2022, 8(16), eabj7736. DOI: 10.1126/sciadv.abj7736.

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj7736.

本文由科研百曉生供稿。