使用纖連蛋白組合圖案來評價間充質(zhì)干細(xì)胞附著極限,。
美國西北大學(xué)科學(xué)家開發(fā)出一種強大的分析方法來指導(dǎo)干細(xì)胞分化,。他們利用這種方法從上百萬種可能性中快速地鑒定出指示干細(xì)胞變成骨細(xì)胞(osteocyte)的化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在PNAS期刊上,。
研究人員能夠使用一種稱作納米組合(nanocombinatorics)的方法來構(gòu)建龐大的物理結(jié)構(gòu)---尺寸從幾納米到幾十微米乃至幾百微米---文庫以便解決生物學(xué)范疇內(nèi)外存在的問題,。
化學(xué)、材料工程和納米技術(shù)領(lǐng)域的研究人員可能使用這種有價值的工具來評估哪些化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)---包括尺寸,、形狀和組成---在一個指定過程或功能中發(fā)揮最佳作用,。
納米組合有望篩選用于能量轉(zhuǎn)換的催化劑，理解納米結(jié)構(gòu)賦予的性質(zhì),，鑒定在藥物開發(fā)中發(fā)現(xiàn)的活性分子,，或者甚至優(yōu)化組織再生中所使用的材料，以及其他方面的應(yīng)用,。
“只要進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā),，研究人員就可能能夠使用這種方法讓干細(xì)胞制備所需的任何細(xì)胞系”,，領(lǐng)導(dǎo)這項研究的Chad A. Mirkin說，“對這種過程進(jìn)行深入了解有助于人們理解癌癥發(fā)展過程和開發(fā)新的抗癌癥治療方法,。”
這種新的分析方法利用美國西北大學(xué)發(fā)明的一種稱作聚合物筆平版印刷術(shù)(polymer pen lithography)的技術(shù),。在該技術(shù)中，一個有著多達(dá)1.1千萬個微型金字塔狀結(jié)構(gòu)的橡皮圖章(rubber stamp)安裝在透明的玻璃襯座(glass backing)上,，并受到一臺原子力顯微鏡的精準(zhǔn)控制以便在一個表面上產(chǎn)生想要的圖案,。每個微型金字塔狀結(jié)構(gòu)---即一只聚合物筆---包被著用于特定目的的分子。
在這項研究中,，研究人員使用結(jié)合到在自然細(xì)胞環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的蛋白比如纖連蛋白(fibronectin)的分子,，然后這些分子能夠附著到有著不同圖案的基座(substrate)上。(纖連蛋白是一種調(diào)控細(xì)胞附著的蛋白,。)這樣,，研究小組就快速地在一個大的區(qū)域上制備上百萬個特征性的紋理圖案(textured feature)，其中他們將這么多特征性的圖案稱之為一個文庫,。這個文庫由將近1萬個纖連蛋白圖案組成,，而每個圖案有著多達(dá)250萬種尺寸在幾百納米到幾微米之間的特征。
為了制造這些表面,，當(dāng)橡皮圖章降至基座上時,，他們有意地傾斜該圖章和它的聚合物筆陣列，并且每只筆傳送一個由能夠結(jié)合纖連蛋白的分子組成的點,。這種傾斜在聚合物筆上產(chǎn)生不同的壓力,，從而決定著每個點的特征尺寸(feature size)。因為壓力在一個大范圍內(nèi)發(fā)生變化,，所以特征尺寸也是如此變化,。
研究人員隨后加入間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells, MSCs)到上百萬個纖連蛋白特征性圖案文庫中。(間充質(zhì)干細(xì)胞是多能性干細(xì)胞,，能夠分化許多種其他類型細(xì)胞,。)
“我們將這些細(xì)胞加入到文庫中，然后觀察發(fā)生情況”,，Mirkin說,。
他和他的研究小組發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)干細(xì)胞加入后存在干細(xì)胞分化區(qū)域和未分化區(qū)域。納米尺寸特征性圖案,，特別是直徑在300納米的蛋白點更可能導(dǎo)致干細(xì)胞產(chǎn)生更大的微米尺寸特征的骨細(xì)胞樣細(xì)胞(bone-like cell),。
研究人員接著構(gòu)建了一個直徑只有300納米的點組成的文庫，并加入干細(xì)胞,。幾乎所有的干細(xì)胞都變成骨細(xì)胞樣細(xì)胞,。
“我們想讓干細(xì)胞沿著事先確定的分化路徑制造骨細(xì)胞而不是神經(jīng)細(xì)胞或肌細(xì)胞”，Mirkin說，“我們從幾百萬種可能性中,，快速地找到最佳地指導(dǎo)這些干細(xì)胞變成骨細(xì)胞的蛋白特征性圖案,。”
這種干細(xì)胞分化除了圖案中所用的蛋白之外無需再加入其他化學(xué)信號。干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為骨細(xì)胞是由圖案結(jié)構(gòu)提供的物理信號單獨決定的,。而且研究人員證實這種方法要比當(dāng)前所使用的化學(xué)試劑方法更好地控制干細(xì)胞分化,。
“這種技術(shù)不只是用于干細(xì)胞”，Mirkin說,，“科學(xué)家能夠使用納米組合方法構(gòu)建結(jié)構(gòu)---不同的結(jié)構(gòu)可在形狀,、大小和顆粒之間的距離方面發(fā)生變化---文庫，并確定控制諸如加快催化反應(yīng)之類的重要事件的最佳結(jié)構(gòu),。” (生物谷：towersimper編譯)
doi:10.1073/pnas.1201086109
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PMID:
Scanning probe-enabled nanocombinatorics define the relationship between fibronectin feature size and stem cell fate
Louise R. Giam, Matthew D. Massich, Liangliang Hao, Lu Shin Wong, Christopher C. Mader, and Chad A. Mirkin
We report the development of a powerful analytical method that utilizes a tilted elastomeric pyramidal pen array in the context of a scanning probe lithography experiment to rapidly prepare libraries having as many as 25 million features over large areas with a range of feature sizes from the nano- to microscale. This technique can be used to probe important chemical and biological processes, opening up the field of nanocombinatorics. In a proof-of-concept investigation of mesenchymal stem cell (MSC) differentiation, combinatorial patterns first enabled a rapid and systematic screening of MSC adhesion, as a function of feature size, while uniform patterns were used to study differentiation with statistically significant sample sizes. Without media containing osteogenic-inducing chemical cues, cells cultured on nanopatterned fibronectin substrates direct MSC differentiation towards osteogenic fates when compared to nonpatterned fibronectin substrates. This powerful and versatile approach enables studies of many systems spanning biology, chemistry, and engineering areas.
