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浙江大學計劍、張鵬團隊 JACS：選擇性細胞阻抗調控細胞-材料界面相互作用

2025-03-07 來源：高分子科技

調節不同類型細胞在材料-組織界面的行為是誘導組織再生的關鍵。傳統的方法是利用特定的配體（如多肽和抗體）來增強靶細胞的結合性，但這些配體在生物環境中存在穩定性問題，限制了其臨床應用。

針對上述問題，浙江大學生物醫用材料及表界面工程研究室團隊計劍教授、張鵬研究員創造性地提出通過精細調節材料表面化學性質，實現選擇性細胞阻抗，從而獲得比修飾細胞外基質多肽更強的細胞選擇性效果。特定的抗污特性對不同類型細胞在材料表面的粘附會產生差異性的影響。利用這一原理，作者對聚乙二醇（PEG）接枝表面進行了精細調整，以選擇性支持內皮細胞（EC）的粘附，同時阻抗平滑肌細胞（SMC）的粘附。進一步的機制研究表明，肌球蛋白II表達的差異性對于細胞選擇性至關重要。最后，作者制備了一種內皮細胞選擇性聚合物涂層，以促進植介入心血管器械的體內原位內皮化并防止內膜過度增生。該研究為細胞選擇性的實現提供了新的途徑，并為組織誘導再生的策略設計提供了新的見解。

該成果于2025年3月4日以“Regulating Cell–Material Interfacial Interactions through Selective Cellular Resistance”為題發表于《Journal of the American Chemical Society》，浙江大學博士后郝鴻業和博士生陳怡峰為論文共同第一作者。

調節不同類型細胞在植入物表面的行為，在組織再生和過度增生之間取得平衡是改善植介入手術預后的關鍵。傳統策略往往利用特定配體，如多肽和抗體，來選擇性地與細胞膜上的相應受體作用，從而提升靶細胞的結合性。但該策略受限于配體分子在生理環境中的不穩定性，難以實際應用。因此，作者提出猜想：是否能夠反其道而行，通過選擇性細胞阻抗來實現靶細胞的選擇性粘附？

細胞的行為由其自身性質和周圍微環境共同決定，特定的微環境有可能誘導不同類型的細胞產生不同的行為。同時，植入物進入人體后，蛋白質在其表面快速吸附，形成獨特的微環境，并進一步介導后續的細胞粘附。但該過程通常是非特異性的，會導致不必要的組織增生。聚乙二醇（PEG）接枝則被廣泛用于賦予材料抗污性能，阻抗蛋白質的表面吸附，從而抑制細胞粘附。而PEG的抗污性能強烈依賴于其分子量和接枝密度。基于此，作者進一步提出猜想：是否可以通過調整PEG的接枝參數，微調非特異性蛋白質吸附過程，構建理想的微環境，實現對非靶細胞的選擇性阻抗？

圖1 選擇性細胞阻抗調控細胞-界面相互作用示意圖。

為了驗證上述猜想，作者利用巰基-烯光點擊反應構建了高通量連續梯度芯片，并對六種不同類型的人組織細胞進行了培養。結果發現在合適的PEG接枝表面上，不同細胞的粘附行為呈現明顯的差異性。進一步以心血管系統中存在競爭生長的EC和SMC為例，作者通過精細化調控PEG的分子量和接枝密度，篩選出了高EC選擇性的表面，證明了選擇性細胞阻抗的應用潛力。

圖2 選擇性細胞阻抗表面的制備與篩選。

細胞在材料表面的粘附是一個復雜過程，受生物分子吸附形成的特定微環境以及不同類型細胞固有的粘附能力的影響。為了闡明選擇性阻抗作用的產生機制，作者分別在有無血清的培養基中進行了細胞共培養，發現在含血清條件下，SMC被選擇性阻抗，而在無血清條件下，EC和SMC均不粘附，表明血清蛋白在其中發揮了重要作用。進一步通過對材料表面蛋白質吸附量和蛋白質組學的分析，作者發現選擇性細胞阻抗表面吸附了更大比例的非粘附蛋白和更少比例的粘附蛋白，從而構建了一個具有更少細胞粘附位點的微環境。而通過對細胞粘附形態的觀察和對肌球蛋白II的抑制，作者發現EC的黏著斑在各個方向上均勻分布，且肌球蛋白II表達量較低，細胞內收縮力相對較小，因此可以在粘附位點較少的表面上保持粘附和鋪展；而SMC的黏著斑主要集中在細胞兩端，其肌球蛋白II表達量較高，強大的細胞內收縮力阻礙了其在粘附位點稀少的表面上有效粘附和鋪展，從而導致了選擇性阻抗效果的實現。

圖3 SMC選擇性阻抗機理探究。

為了將上述發現向實際應用進行轉化，作者通過表面共聚的方式進行涂層技術的開發，并通過調控共聚物中PEG的含量成功制備了選擇性阻抗聚合物涂層（SCR），并全面評估了EC和SMC在涂層表面的細胞行為，包括粘附、增殖、遷移和內皮化。結果表明，SCR涂層可以有效阻抗SMC的粘附、增殖和遷移，同時支持EC的生長，最終實現結構完整和功能正常內皮層的再生，其效果甚至優于EC選擇性多肽REDV。

圖4 SMC選擇性阻抗聚合物涂層對細胞粘附、增殖、遷移、內皮化的影響。

最后，作者將選擇性細胞阻抗聚合物涂層修飾到316L不銹鋼絲上，并植入大鼠腹主動脈，進行體內效果驗證。結果表明，其具有優異的抑制內膜過度增生和促進內皮化的效果。

圖5 SMC選擇性阻抗聚合物涂層的體內促內皮化與抑制內膜增生效果。

總結：作者利用高通量梯度芯片證明了特定的抗污表面能夠選擇性地影響不同類型細胞的粘附，通過微調表面的抗污特性，無需使用特定的生物活性分子即可實現組織再生的調控；開發出了一種能選擇性阻抗SMC并支持EC的抗污表面；機制研究表明，這種選擇性阻抗歸因于材料表面細胞黏附位點的減少以及不同細胞內收縮力的固有差異；最后，開發了一種EC選擇性聚合物涂層，其不僅能抑制SMC的粘附、增殖和遷移，還能增強EC的競爭力，從而在體內減少內膜增生并促進內皮化。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c01433

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（責任編輯：xu）

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