看韩国淑明女子大学Kyung Min Choi教授如何利用MOFs控制神经干细胞的分化

一、【导读】

金属-有机框架（MOFs）是一种由金属离子和有机配体构成的化合物，由于其晶体结构的显著均匀性和各种因素的可变性，包括结构类型、有机功能性、几何形状、含金属单元的大小、孔的大小和纳米晶体的大小，已成为一种很有前途的多孔材料。MOFs的这些优点已经被应用到了各个领域中，包括锂离子电池、气体分离、气体储存和催化。MOFs的功能，尤其是其出色的捕获和释放感兴趣的分子，对生物学研究极为有利。具体而言，几种基本的生物分子，包括大块金属（如钾、钙和镁）、微量金属（如锌、铁和锰）、氨基酸、神经递质，甚至维生素，可以在MOFs中长期储存和不断释放。因此，这种嵌入生物分子的MOFs对于控制干细胞命运非常有用，可以部分替代体内周围3D细胞微环境的作用。然而，为了充分发挥MOFs作为稳定分化因子供应者的潜力，应避免细胞与MOFs之间的物理接触，包括它们被细胞质吸收，以防止MOFs的结构变形，并避免MOFs对靶细胞的潜在细胞毒性或不利影响。

二、【成果掠影】

近日，韩国中央大学Tae-Hyung Kim教授和韩国淑明女子大学Kyung Min Choi等人合作，以“Single metal-organic framework–embedded nanopit arrays: A new way to control neural stem cell differentiation”为题在Science Advances期刊上发表重要研究成果。作者使用单一金属-有机框架(MOF)纳米粒子——嵌入纳米阵列(SMENA)，可以高效地生成神经干细胞。通过优化均匀周期性纳米形态的物理参数，每个纳米图可以限制单一的nMOFs (UiO-67)，这些nMOFs是专为维甲酸(RA)的长期存储和释放而设计的。SMENA方法成功地抑制了与细胞的物理相互作用，这有助于nMOF (RA⊂UiO-67)结构的显著稳定性，而不诱导纳米颗粒介导的毒性问题。由于RA的持续和长期供应，神经干细胞的各种神经发生相关活动的mRNA表达增强。作者开发的SMENA方法也可以应用于其他干细胞来源和分化谱系，因此可用于各种基于干细胞的再生疗法。

三、【图文解析】

图1. SMENA原理图。

图2. RA⊂nUiO-67的合成与表征。

图3. SMENA的表征。

图4. 在多次传代过程中监测各组培养的神经干细胞的多能性。

图5. 与神经发生有关的基因和蛋白质分析。

图6. NSCs分化细胞mRNA总表达量分析。

四、【成果启示】

综上所述，作者在体外开发了用于控制神经发生的SMENA。nUiO-67纳米粒子可以在较短的孵育时间（<48小时）内装载RA，并且能够在较长时间（>14天）内释放RA。尽管RA⊂nUiO-67在传统培养条件下不稳定，但在保护RA免受降解和异构化方面也表现出优异的性能。那均匀的纳米粒子阵列在捕获单个RA⊂nUiO-67粒子方面极为有效。纳米颗粒中的RA⊂nUiO-67由于防止细胞摄取而在长时间培养期间保持稳定，可以在不损害其多能性的情况下控制小鼠NSCs的神经发生。成熟神经元的代表标志物NeuroD1和MAP2在RA-SMENA上的表达水平分别比在常规分化培养基的组织培养皿上分化的细胞高43.67和41.3倍。此外，大约1153个与神经发生相关的基因在RA-SMENA中选择性上调，根据KEGG通路分析，其中大部分与RA介导的神经元分化有关。

由于RA⊂nUiO-67纳米颗粒可以通过控制nMOF的孔隙大小、孔隙体积和颗粒大小来重组以装载不同类型的生物分子(例如，咖啡酸、米诺地尔和抗坏血酸)，开发的方法潜力非常高。具体地说，多能干细胞可以使用多分化因子负载的SMENA方法以更高效、更方便的方式转化为所需的细胞类型。此外，使用先进的SMENA方法可以实现来自相同干细胞源自发的多系分化。因此，作者可以得出结论，已开发的SMENA方法具有广泛的应用潜力，因此在基于干细胞的再生疗法中非常有前景。

文献链接：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.

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj7736.

本文由科研百晓生供稿。