使用纤连蛋白组合图案来评价间充质干细胞附着极限。
美国西北大学科学家开发出一种强大的分析方法来指导干细胞分化。他们利用这种方法从上百万种可能性中快速地鉴定出指示干细胞变成骨细胞(osteocyte)的化学和物理结构。相关研究结果发表在PNAS期刊上。
研究人员能够使用一种称作纳米组合(nanocombinatorics)的方法来构建庞大的物理结构---尺寸从几纳米到几十微米乃至几百微米---文库以便解决生物学范畴内外存在的问题。
化学、材料工程和纳米技术领域的研究人员可能使用这种有价值的工具来评估哪些化学和物理结构---包括尺寸、形状和组成---在一个指定过程或功能中发挥最佳作用。
纳米组合有望筛选用于能量转换的催化剂，理解纳米结构赋予的性质，鉴定在药物开发中发现的活性分子，或者甚至优化组织再生中所使用的材料，以及其他方面的应用。
“只要进行进一步开发，研究人员就可能能够使用这种方法让干细胞制备所需的任何细胞系”，领导这项研究的Chad A. Mirkin说，“对这种过程进行深入了解有助于人们理解癌症发展过程和开发新的抗癌症治疗方法。”
这种新的分析方法利用美国西北大学发明的一种称作聚合物笔平版印刷术(polymer pen lithography)的技术。在该技术中，一个有着多达1.1千万个微型金字塔状结构的橡皮图章(rubber stamp)安装在透明的玻璃衬座(glass backing)上，并受到一台原子力显微镜的精准控制以便在一个表面上产生想要的图案。每个微型金字塔状结构---即一只聚合物笔---包被着用于特定目的的分子。
在这项研究中，研究人员使用结合到在自然细胞环境中发现的蛋白比如纤连蛋白(fibronectin)的分子，然后这些分子能够附着到有着不同图案的基座(substrate)上。(纤连蛋白是一种调控细胞附着的蛋白。)这样，研究小组就快速地在一个大的区域上制备上百万个特征性的纹理图案(textured feature)，其中他们将这么多特征性的图案称之为一个文库。这个文库由将近1万个纤连蛋白图案组成，而每个图案有着多达250万种尺寸在几百纳米到几微米之间的特征。
为了制造这些表面，当橡皮图章降至基座上时，他们有意地倾斜该图章和它的聚合物笔阵列，并且每只笔传送一个由能够结合纤连蛋白的分子组成的点。这种倾斜在聚合物笔上产生不同的压力，从而决定着每个点的特征尺寸(feature size)。因为压力在一个大范围内发生变化，所以特征尺寸也是如此变化。
研究人员随后加入间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)到上百万个纤连蛋白特征性图案文库中。(间充质干细胞是多能性干细胞，能够分化许多种其他类型细胞。)
“我们将这些细胞加入到文库中，然后观察发生情况”，Mirkin说。
他和他的研究小组发现间充质干细胞加入后存在干细胞分化区域和未分化区域。纳米尺寸特征性图案，特别是直径在300纳米的蛋白点更可能导致干细胞产生更大的微米尺寸特征的骨细胞样细胞(bone-like cell)。
研究人员接着构建了一个直径只有300纳米的点组成的文库，并加入干细胞。几乎所有的干细胞都变成骨细胞样细胞。
“我们想让干细胞沿着事先确定的分化路径制造骨细胞而不是神经细胞或肌细胞”，Mirkin说，“我们从几百万种可能性中，快速地找到最佳地指导这些干细胞变成骨细胞的蛋白特征性图案。”
这种干细胞分化除了图案中所用的蛋白之外无需再加入其他化学信号。干细胞转化为骨细胞是由图案结构提供的物理信号单独决定的。而且研究人员证实这种方法要比当前所使用的化学试剂方法更好地控制干细胞分化。
“这种技术不只是用于干细胞”，Mirkin说，“科学家能够使用纳米组合方法构建结构---不同的结构可在形状、大小和颗粒之间的距离方面发生变化---文库，并确定控制诸如加快催化反应之类的重要事件的最佳结构。” (生物谷：towersimper编译)
doi:10.1073/pnas.1201086109
PMC:
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.
