誘導干細胞向肌腱細胞定向分化是組織工程方法實現(xiàn)對缺損肌腱組織再生性修復的一個關鍵。目前常用的誘導方法主要包括添加外源生長因子、使用肌腱脫細胞外基質(zhì)、施加外源性力學刺激或?qū)⒏杉毎c成體腱細胞共培養(yǎng)等，雖然均具有一定的成腱分化效果，但從分化效率、分化特異性、操作靈活性、價格成本等方面看，這些單一分化策略都有著各自的局限性。肌腱是在肌肉和骨骼之間傳遞應力的重要結締組織，主要是由平行排列的膠原纖維束和以狹長形態(tài)嵌入其中的肌腱細胞組成。電紡取向纖維可從結構上完美地仿生天然肌腱的這種超結構形式，鑒于肌腱組織的力學活性（mechanoactivity）特點，基于電紡取向纖維發(fā)展可自主施加力學刺激的力學活性仿生纖維，將為高效誘導干細胞向肌腱細胞分化提供新的思路。
近期，東華大學化學化工與生物工程學院張彥中教授團隊發(fā)展了一種新策略，首先對聚L-丙交酯-己內(nèi)酯（PLCL）電紡取向纖維進行拉伸-固定或循環(huán)回復后再拉伸-固定的塑形處理，以賦予纖維形狀記憶功能和不同程度的力學活性，然后利用形狀記憶纖維受限回復時產(chǎn)生的應力剛化（stress-stiffening）效應來對人脂肪源干細胞（ADSCs）提供原位的、動態(tài)的力學刺激（圖1），從而提供了一種基于取向電紡纖維的拓撲結構與自身力學刺激的雙重信號誘導作用，顯著增強了對ADSCs成肌腱分化的誘導效率。
圖1. 力學活性纖維制備原理與成腱分化實驗設計流程圖：（ⅰ）采用穩(wěn)定射流電紡絲方法制備取向纖維S0，然后利用多次“拉伸-回復”后再拉伸和固定的方法獲得拓撲結構相似、靜態(tài)剛度與形狀回復力不同的力學活性纖維S1、S4及S8；（ⅰⅰ）采用“動態(tài)”變溫條件培養(yǎng)ADSCs，觸發(fā)形狀記憶效應（SME）、提供原位力學刺激及探究細胞響應行為。
研究結果表明，對電紡取向纖維的形狀記憶塑形處理影響其拓撲形貌、分子取向度和結晶度變化、靜態(tài)剛度及產(chǎn)生的形狀回復應力大小，具有明顯的應力剛化效應（圖2）；受熱觸發(fā)形狀回復的力學活性纖維不影響細胞的活力和增殖特性，具有較好的細胞相容性，但使細胞的極化特征顯著增強（圖3）；對與成腱分化相關的代表性蛋白和基因標志物分析表明，力學活性纖維顯著促進ADSCs向肌腱細胞分化，尤其是具有最大回復應力的S1（+）組（圖4）；力學活性纖維增強ADSCs的成腱分化與Rho/ROCK信號轉(zhuǎn)導通路的激活有關（圖5）。
圖2. 力學活性纖維的形貌、結構及形狀記憶性能表征：（A）不同力學活性纖維的掃描電鏡（SEM）形貌觀察；（B，C）不同力學活性纖維的直徑與取向度分析；（D，E）不同力學活性纖維的分子鏈取向度與結晶度分析；（F，G）不同力學活性纖維在26 oC與40 oC下的拉伸應力-應變曲線；（H）不同力學活性纖維在26 oC與40 oC下的楊氏模量變化比較；（I）不同力學活性纖維的形狀回復應力與時間變化關系；（J）不同力學活性纖維的儲能模量隨時間變化關系比較；（K）剪切波彈性成像技術觀察不同力學活性纖維觸發(fā)形狀記憶效應后的張力（剛度）變化情況。
圖3. 力學活性纖維的細胞相容性檢測與形貌觀察：（A）不同力學活性纖維的活/死細胞染色；（B）不同力學活性纖維的細胞增殖；（C）培養(yǎng)3 天后不同力學活性纖維對ADSCs形貌的影響（Actin/DAPI染色）；（D）培養(yǎng)3 天后不同力學活性纖維對ADSCs形貌的影響（SEM拍攝，細胞經(jīng)后期上色處理）；（E）基于C圖結果對ADSCs細胞形貌進行的量化分析。
圖4. 力學活性纖維促進ADSCs向肌腱細胞定向分化：（A，B）培養(yǎng)7天后對成腱標志物TNMD與TNC的免疫熒光染色結果；（C，D）TNMD與TNC的熒光強度定量結果；（E）培養(yǎng)7天后ADSCs成肌腱分化的RT-PCR檢測相關基因表達結果。
圖5. 力學活性纖維增強ADSCs成腱分化與Rho/ROCK信號轉(zhuǎn)導通路激活有關的機理驗證：（A）對S1（+）組進行抑制劑處理后的細胞骨架染色結果比較；（B）對抑制劑處理后的細胞形貌特征的量化分析結果；（C）抑制劑處理對與肌腱相關基因表達結果的影響；（D）S1（+/-）及Y27632-S1（+）組YAP免疫熒光染色；（E）YAP熒光染色核定位定量分析；（F）力學活性纖維促進ADSCs成肌腱分化的潛在作用機理示意圖。
該研究發(fā)展的這種可自主施加力學刺激的力學活性纖維為研究干細胞的成腱分化提供了一種新的力學加載范式，也證明了該研究采用的“拓撲信號+力學信號”組合式信號誘導策略的有效性。這將為未來設計更先進的力學活性組織工程支架提供借鑒，促進原位力學信號誘導干細胞分化策略向臨床應用的實際轉(zhuǎn)化，提高對受損肌骼系統(tǒng)的再生修復功效。
以上研究工作以“Engineering a Mechanoactive Fibrous Substrate with Enhanced Efficiency in Regulating Stem Cell Tenodifferentiation”為題最近在線發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。東華大學博士生郭煦然、王先流分別為論文的第一作者和共同第一作者，張彥中教授為通訊作者。該研究得到國家自然科學基金面上項目和上海市科學技術委員會重點基礎研究項目的經(jīng)費支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c04294
- 哈工大冷勁松教授團隊 Carbon：模板法制備基于鄰苯二甲腈樹脂的可重構熱防護形狀記憶氣凝膠 2025-05-23
- 華南理工大學郭建華教授團隊 AFM：可多層組裝泡孔結構的聚乙烯醇/碳復合氣凝膠實現(xiàn)寬帶微波噪聲雙吸收和水下形狀記憶效應 2025-05-14
- 浙大潘鵬舉/余承濤團隊 Adv. Mater.：基于聚合物熔融-重結晶構筑自硬化形狀記憶材料 2025-05-10
- 川大王云兵教授團隊 Nat. Commun.：血管支架新方向-基于重組人源化膠原蛋白的無藥物涂層血管支架促進血管組織原位再生修復 2024-02-06
- 四川大學孫勇/樊渝江 Nat. Commun.：即刻粘附的柔性支架通過募集內(nèi)源性干細胞和誘導血管生成再生顱骨 2022-05-10
- 中科院戴建武再生醫(yī)學團隊：調(diào)控免疫微環(huán)境的水凝膠促進全橫斷脊髓神經(jīng)損傷再生修復 2020-02-05
