从iPSC到成熟细胞，纳米生物材料如何当“向导”？

从iPSC到成熟细胞，纳米生物材料如何当“向导”？

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一、引言

在再生医学领域，干细胞凭借其自我更新与分化为多种细胞类型的能力，成为组织再生与疾病治疗的关键。干细胞依据分化潜能可分为单能、寡能、多能、 pluripotent（多能）和 totipotent（全能）干细胞。其中，胚胎干细胞虽具强大分化能力，但因伦理争议、免疫排斥及致畸瘤风险，临床应用受限。成体干细胞虽可规避伦理问题，却存在分化潜能低、增殖速率慢的不足。

2006 年，Takahashi 和 Yamanaka 发现通过导入 OCT3/4、SOX2、c-Myc 和 Klf4 这四种转录因子，可将小鼠体细胞诱导为诱导多能干细胞（iPSCs），这一突破为再生医学带来新希望。iPSCs 能分化为三个胚层的细胞，且可来自成人体组织，理论上可用于自体移植以避免免疫排斥。然而，传统分化方法难以精细调控 iPSCs 分化，常导致非预期细胞亚群产生，而纳米结构生物材料为解决这一问题提供了新思路。

二、经典分化程序

iPSCs 分化通常始于胚状体（EBs）的自发形成，随后在细胞培养基或细胞外基质（ECM）替代物中的信号通路与生长因子作用下，向特定谱系分化。由于血清中的蛋白质可能诱导非特异性分化，故常采用胰岛素 - 转铁蛋白 - 硒（ITS）、B27、N2 等生长因子组合替代血清。

不同胚层分化需特定因子：中胚层分化可通过骨形态发生蛋白 4（BMP4）诱导；内胚层分化可借助激活素 A、成纤维细胞生长因子（FGF）及 Wnt3a 等因子；外胚层分化则与视黄酸（RA）和 Rho 激酶（ROCK）抑制剂相关。以肝细胞分化为例，激活素 A 诱导 iPSCs 向内胚层谱系转化，角质形成细胞生长因子（KGF）和抑瘤素 M 促进早期肝细胞增殖，BMP2 维持肝细胞前体增殖，地塞米松则促进肝细胞成熟。

但经典分化程序存在 iPSCs 分化潜能与遗传稳定性变异的问题，且不同分子通路的靶向差异影响实验重复性与细胞纯度，而纳米结构生物材料有望通过调控 ECM 微环境改善这些状况。

三、纳米结构生物材料对 iPSCs 维持的影响：细胞增殖与活力

高效的 iPSC 分化依赖于起始时大量未分化且能自我更新的细胞。纳米结构生物材料可从两方面调控 iPSCs：一是维持其未分化增殖状态，如由明胶、去细胞胶原和层粘连蛋白组成的 3D 纳米纤维基质，能支持 iPSC 附着生长并维持 pluripotency，且抗原性低，适合 3D 培养与手术植入；功能化碳纳米管薄膜可使犬 iPSCs 连续传代 40 次仍保持克隆形态与 pluripotency 标志物表达；聚己内酯（PCL）电纺纳米纤维支架可增强 iPSC 黏附与增殖。

二是生物相容性评估至关重要。部分纳米材料存在细胞毒性，如银纳米颗粒可抑制 iPSCs 神经分化，影响线粒体功能；硅纳米线对 iPSCs 具浓度依赖性细胞毒性；多壁碳纳米管可诱导脑类器官氧化应激；高分子量聚乙烯亚胺（PEI）和聚赖氨酸（PLL）等聚合物也可能具毒性。

四、纳米结构生物材料用于 iPSCs 向谱系定向祖细胞分化

iPSCs 向完全成熟细胞分化常经中间祖细胞阶段，纳米材料可增强这一过程。金纳米颗粒（AuNPs）可递送激活素 A，增强内胚层标志物 SOX17、GATA4 表达，降低 pluripotency 标志物 OCT4 表达，且可负载 bFGF 提高递送效率。

纳米纤维支架的物理化学性质影响分化方向。较软支架（如 19kPa）促进外胚层标志物 PAX6、NeuroD1 表达，利于神经祖细胞分化；较硬支架（如 313kPa）则增强中内胚层标志物 GSC、MIXL1 表达。PCL 纳米纤维支架负载诱导因子 IDE1 或结合激活素 A 与 Wnt3a，可提高内胚层标志物 SOX17、FOXA2、GSC 的基因与蛋白表达，促进内胚层祖细胞分化。

五、纳米结构生物材料用于 iPSCs 向完全分化细胞分化

体内干细胞分化受生物物理与生化信号共同调控，纳米材料可通过模拟 ECM 与递送分化因子优化 iPSC 分化。

在平滑肌细胞（SMCs）分化中，聚乳酸（PLLA）纳米纤维支架刚度影响分化方向，硬基质诱导 SMC 样表型（ACTA2、MHC 表达），软基质则倾向神经胶质细胞分化，这与 ROCK 通路介导的机械转导相关。

肝细胞分化方面，聚氨酯 - 聚乙亚胺共聚物（PU - PEI）/ 羧甲基 - 己酰壳聚糖（CHC）纳米结构可作为 miR122 质粒载体，加速 iPSCs 向肝细胞分化，14 天即可获得成熟细胞，且在肝损伤模型中提高小鼠存活率；二氧化硅纳米颗粒负载肝细胞核因子（HNF） - 3β 质粒 DNA，可促进小鼠 iPSCs 向肝细胞分化，提高 LDL 摄取与糖原储存能力。

胰腺细胞分化中，200nm 直径纳米孔图案聚苯乙烯表面可上调胰腺发育关键转录因子 PDX1 表达；聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物（PLGA）纳米颗粒结合激活素 A 与诱导因子，可促进小鼠 iPSCs 表达 PDX1 并分泌胰岛素；细胞外囊泡（EVs）来自人 β 细胞可诱导 iPSCs 向胰腺 β 细胞分化，分泌胰岛素并具钙内流活性。

脑组织细胞分化受纳米拓扑结构影响，如皱纹状聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面（350nm 宽、300nm 高）可诱导 iPSCs 表达神经元标志物 βIII - 微管蛋白，560nm 高的 PDMS 拓扑结构可增加 β - II - 微管蛋白阳性细胞生成；碳纳米管薄膜、硅纳米线等也可支持神经分化并增强电生理特性。

心脏细胞分化中，PCL 纳米纤维支架可提高心肌标志物 cTnT、MLC2 表达与肌丝组织化程度；二元胶体晶体基质可促进 iPSC 衍生心肌细胞成熟，具长肌节与延长动作电位。

软骨与骨细胞分化方面，等离子体处理的聚醚砜（PES）纳米纤维支架可促进 iPSCs 成骨分化，增加碱性磷酸酶（ALP）活性与钙沉积；PCL/ 明胶纳米纤维支架可诱导 iPSCs 向软骨细胞分化，表达胶原 II、聚集蛋白聚糖等；羟基磷灰石 / 胶原 / 壳聚糖纳米纤维支架具骨诱导能力，可促进骨再生。

六、结论与未来展望

纳米结构生物材料通过模拟 ECM 或支持生长因子释放，可获得更成熟细胞表型与更高标志物阳性细胞率，在再生医学中前景广阔，如用于基于 iPSC 衍生细胞的心脏瓣膜组织工程。

未来应用需解决以下问题：生物相容性方面，需深入分析纳米材料毒性，更多采用有机可降解材料；合成方面，推动绿色合成，减少有毒试剂使用；生产方面，开发生物反应器实现纳米结构规模化生产；标准化方面，统一纳米材料合成与测试流程。此外，还需深入研究纳米材料与干细胞发育的相互作用机制，以推动其在基础研究与临床中的应用。

参考文献：

Passos, B.A.B.R., et al. Nanostructured Biomaterial-Based Approaches to Support Induced Pluripotent Stem Cell Differentiation. Adv. NanoBiomed Res. 2500072.