专访陈佳林｜揭示「生物材料-干细胞」相互作用机制

肌腱是一种纤维结缔组织，它连接肌肉和骨骼，并在两者之间传递机械力。日常生活中，由于过度使用、外力创伤，以及组织老化等，肌腱容易出现急性损伤和渐进性退化，导致肌腱损伤相关疾病的发生发展。

长期以来，科学界围绕肌腱修复 / 再生开展了很多研究，其中，“肌腱组织工程技术”为肌腱损伤的治疗带来新希望，该技术整合了细胞、支架和生物活性因子，能够恢复或再生受损的肌腱。

近期，东南大学医学院陈佳林、张薇团队通过研究首次从“材料 - 细胞”和“细胞 - 细胞”两个维度综合揭示了材料硬度对于干细胞向肌腱系分化的直接 / 间接调控作用机制，为今后肌腱组织工程支架设计以及肌腱再生微环境多维度调控提供了理论基础。

目前，这项研究已经以“Material Stiffness in Cooperation with Macrophage Paracrine Signals Determines the Tenogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells”为题发表在Advanced Science上。

（来源：Advanced Science）

“我们的这项研究通过综合考虑不同基质硬度对于干细胞腱系分化的直接和间接调控作用，进而明确了适于肌腱再生的材料硬度，为今后肌腱组织工程支架的设计和制备提供了更为全面的参考依据，同时也为肌腱微环境的多维度调控以介导肌腱再生提供了新的途径。”东南大学医学院陈佳林教授告诉生辉。

陈佳林从本科至博士均就读于浙江大学，博士期间他师从欧阳宏伟教授并于 2014 年获得干细胞和再生医学博士学位，同年他在 Endeavour Australia Cheung Kong Research Fellowship 的资助下以访问学者的身份在西澳大学郑铭豪教授课题组进行学术交流。随后，他进入瑞典于默奥大学从事博士后研究工作，并于 2018 年加入东南大学医学院。

现在，陈佳林是东南大学医学院副教授、博士生导师，兼任中国生物医学工程学会组织工程与再生医学分会委员、中华医学会骨科学分会青年委员等职务。截至目前，他已发表 SCI 论文 50 余篇，主持和参与了 10 余项国家自然科学基金委、科技部、省科技厅等项目。现阶段，他课题组的研究方向主要是利用组织工程技术实现富含胶原组织（肌腱、软骨、角膜等）的修复与再生。

▲图｜东南大学医学院副教授陈佳林（来源：受访者）

揭示基质硬度对干细胞腱系分化的调控作用

先前研究表明，基质硬度是影响干细胞分化命运的重要物理因素之一。如今，通过调控生物材料硬度来诱导干细胞定向分化已经在组织工程技术中得到广泛应用，然而究竟哪种硬度能够调控干细胞向肌腱系分化目前还存在一些争议；除此之外，还有研究发现，宿主免疫细胞可与植入体内的生物材料相互作用，并通过旁分泌信号调节干细胞的生物学行为和功能，然而，这些信号在干细胞腱系分化中的作用目前尚不明确。

组织工程（Tissue Engineering）是指利用生物活性物质，通过体外培养或构建的方法，再造或修复器官及组织的技术，是一门涉及生物学、材料学和工程学等多领域的交叉学科。

“干细胞向肌腱系的定向调控分化是我自博士第一个课题开始就持续关注的研究领域，而基质硬度对细胞表型和命运的调控则是我在博士后期间感兴趣的一个方向。”陈佳林介绍道，“因此，这项最新的研究其实是我过往研究的一个延续，即解析了基质材料硬度对于干细胞腱系分化的调控作用，包括硬度本身的‘直接作用’以及硬度作用下的巨噬细胞旁分泌信号产生的‘间接作用’。”他补充说。

▲图｜基质硬度在体外调节间充质干细胞的细胞行为和命运（来源：Advanced Science）

在这项研究中，陈佳林和团队通过控制单体和交联剂的比例制备出具有不同硬度的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质，然后将间充质干细胞（MSCs）接种在这些基质上，以探索和分析基质硬度对于肌腱分化的影响。

“我们首先发现了基质硬度调控间充质干细胞的黏附、铺展和增殖等多种细胞行为，其中，较软的基质硬度能够通过抑制 ERK1/2 信号通路促进干细胞向肌腱系分化。”陈佳林说道，“然而，较软的基质硬度同时也激活巨噬细胞的氧化应激、诱导其向促炎表型极化，并分泌促炎因子，抑制干细胞向肌腱系分化。”

“值得注意的是，当通过‘基质硬度’和‘巨噬细胞旁分泌信号’进行同时刺激时，间充质干细胞在较软的硬度基质上仍然表现出增强的肌腱分化能力，这表明基质硬度对于肌腱分化的促进作用能够覆盖或逆转硬度介导的巨噬细胞旁分泌信号所带来的不利影响。”他指出。

▲图｜基质硬度和巨噬细胞旁分泌信号对干细胞腱系分化调控的机制示意（来源：Advanced Science）

最后，他们通过动物试验进行验证。“我们将不同硬度的基质材料植入大鼠皮下两周后，较软的基质材料仅诱导较低的组织炎症，并促进肌腱样组织的形成。”他说道。

关于下一步的研究动向，陈佳林表示，“生物支架植入体内后，机体组织的各类细胞对支架材料的响应过程和机制非常复杂，而这些信息对于材料的临床应用却是至关重要的。我们现阶段的这项工作只是粗浅地评估了材料硬度对干细胞腱系分化的直接作用和间接作用，下一阶段有必要更为精细地评估体内复杂情况下多种细胞类型对包括支架硬度在内的多种材料特性的响应效果和机制，从而更深入的理解‘材料-细胞’相互作用。”

去年，《国家自然科学基金“十四五”发展规划》已将“材料与细胞和组织之间的相互作用”列为重点发展的研究方向。“这项研究虽然属于基础研究，更多的是为了获取一些基础知识，然而深入理解‘材料-细胞’相互作用过程和机制对于生物材料的临床应用和产业化来说是不可或缺的重要环节。”他说道。

围绕干细胞分化调控机制开发新型生物材料

干细胞拥有再生组织结构的特性，是再生医学的核心。“干细胞的类型多样，包括全能干细胞（如胚胎干细胞）和成体干细胞等各有优缺点。由于全能干细胞在伦理和定向高效分化上面临的困难，目前应用更多的是成体干细胞，尤其是骨髓间充质干细胞（BMSCs），比如我们这项研究评估的正是材料硬度对于 BMSCs 向特定方向（肌腱系）分化的调控作用和机制。”陈佳林介绍道。

在他看来，“细分到组织修复再生方面，考虑到实际应用前景和可获取性，我个人比较看好的是脂肪干细胞和牙源干细胞的临床潜力。”他说道，“然而现阶段要实现干细胞临床治疗的普遍化仍有很多亟待解决的问题，包括相关政策的明晰和持续性、高效的体外扩增和定向诱导分化体系、植入干细胞的有效存活等，而这需要政府管理人员、研究者、医生以及产业界人士的多方共同努力，期待未来干细胞能够像普通药物或常规治疗方式一样实现广泛应用。”他表示。

目前，陈佳林课题组重点关注富含胶原组织（肌腱、软骨、角膜等）的修复与再生过程中理化微环境对于干细胞行为和分化命运的调控作用。

就在不久前，陈佳林、张薇团队在Advanced Materials发表了题为“Silk Fibroin and Sericin Differentially Potentiate the Paracrine and Regenerative Functions of Stem Cells Through Multiomics Analysis”的研究论文，介绍了蚕丝材料 - 干细胞相互作用的最新进展。

（来源：Advanced Materials）

“如今，蚕丝在组织工程和再生医学领域已展现出巨大潜力，然而蚕丝材料内在生化信号通常被忽视，其对细胞功能和组织再生的整体影响仍有待阐明，特别是在高通量分子水平层面。”他介绍说。

在该项研究中，他们通过多组学测序发现蚕丝核心的丝素蛋白（SF）和外周包裹的丝胶蛋白（SS）分别通过 Integrin/PI3K/Akt 和糖酵解信号通路显著增强间充质干细胞的旁分泌功能，这些功能涉及细胞外基质沉积、血管生成和免疫调控等多种组织再生关键过程。此外，这些由 SF 和 SS 介导的旁分泌信号对皮肤伤口愈合的多种生物过程具有调控作用。

“总的来说，这项研究首次采用多组学测序的方法全面解析了蚕丝蛋白介导的细胞响应及分子机制，在高通量分子水平层面阐明了干细胞 - 蚕丝材料之间的相互作用，为蚕丝生物材料在组织工程和干细胞治疗领域的应用提供更加全面的见解。”陈佳林说道。

▲图｜丝素蛋白和丝胶蛋白对于干细胞旁分泌和再生功能的作用机制示意（来源：Advanced Materials）

产业化层面，陈佳林表示，“早在十几年前，我曾协助导师欧阳宏伟教授管理推进 863 组织工程专项、建立了浙江省医用材料和组织工程重点研究院并担任院长助理，还参与了多项临床转化研究工作（蚕丝护创膜、蚕丝补片等）。近些年，我们课题组的工作重心主要围绕学术研究方面，与此同时，我们也正在积极地与一些公司洽谈合作，推动运动系统医疗器械创新产品的临床转化，造福更多患者。”他总结道。

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