浙江大学计剑、张鹏团队 JACS：选择性细胞阻抗调控细胞-材料界面相互作用

2025-03-07 来源：高分子科技

调节不同类型细胞在材料-组织界面的行为是诱导组织再生的关键。传统的方法是利用特定的配体（如多肽和抗体）来增强靶细胞的结合性，但这些配体在生物环境中存在稳定性问题，限制了其临床应用。

针对上述问题，浙江大学生物医用材料及表界面工程研究室团队计剑教授、张鹏研究员创造性地提出通过精细调节材料表面化学性质，实现选择性细胞阻抗，从而获得比修饰细胞外基质多肽更强的细胞选择性效果。特定的抗污特性对不同类型细胞在材料表面的粘附会产生差异性的影响。利用这一原理，作者对聚乙二醇（PEG）接枝表面进行了精细调整，以选择性支持内皮细胞（EC）的粘附，同时阻抗平滑肌细胞（SMC）的粘附。进一步的机制研究表明，肌球蛋白II表达的差异性对于细胞选择性至关重要。最后，作者制备了一种内皮细胞选择性聚合物涂层，以促进植介入心血管器械的体内原位内皮化并防止内膜过度增生。该研究为细胞选择性的实现提供了新的途径，并为组织诱导再生的策略设计提供了新的见解。

该成果于2025年3月4日以“Regulating Cell–Material Interfacial Interactions through Selective Cellular Resistance”为题发表于《Journal of the American Chemical Society》，浙江大学博士后郝鸿业和博士生陈怡峰为论文共同第一作者。

调节不同类型细胞在植入物表面的行为，在组织再生和过度增生之间取得平衡是改善植介入手术预后的关键。传统策略往往利用特定配体，如多肽和抗体，来选择性地与细胞膜上的相应受体作用，从而提升靶细胞的结合性。但该策略受限于配体分子在生理环境中的不稳定性，难以实际应用。因此，作者提出猜想：是否能够反其道而行，通过选择性细胞阻抗来实现靶细胞的选择性粘附？

细胞的行为由其自身性质和周围微环境共同决定，特定的微环境有可能诱导不同类型的细胞产生不同的行为。同时，植入物进入人体后，蛋白质在其表面快速吸附，形成独特的微环境，并进一步介导后续的细胞粘附。但该过程通常是非特异性的，会导致不必要的组织增生。聚乙二醇（PEG）接枝则被广泛用于赋予材料抗污性能，阻抗蛋白质的表面吸附，从而抑制细胞粘附。而PEG的抗污性能强烈依赖于其分子量和接枝密度。基于此，作者进一步提出猜想：是否可以通过调整PEG的接枝参数，微调非特异性蛋白质吸附过程，构建理想的微环境，实现对非靶细胞的选择性阻抗？

图1 选择性细胞阻抗调控细胞-界面相互作用示意图。

为了验证上述猜想，作者利用巯基-烯光点击反应构建了高通量连续梯度芯片，并对六种不同类型的人组织细胞进行了培养。结果发现在合适的PEG接枝表面上，不同细胞的粘附行为呈现明显的差异性。进一步以心血管系统中存在竞争生长的EC和SMC为例，作者通过精细化调控PEG的分子量和接枝密度，筛选出了高EC选择性的表面，证明了选择性细胞阻抗的应用潜力。

图2 选择性细胞阻抗表面的制备与筛选。

细胞在材料表面的粘附是一个复杂过程，受生物分子吸附形成的特定微环境以及不同类型细胞固有的粘附能力的影响。为了阐明选择性阻抗作用的产生机制，作者分别在有无血清的培养基中进行了细胞共培养，发现在含血清条件下，SMC被选择性阻抗，而在无血清条件下，EC和SMC均不粘附，表明血清蛋白在其中发挥了重要作用。进一步通过对材料表面蛋白质吸附量和蛋白质组学的分析，作者发现选择性细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，从而构建了一个具有更少细胞粘附位点的微环境。而通过对细胞粘附形态的观察和对肌球蛋白II的抑制，作者发现EC的黏着斑在各个方向上均匀分布，且肌球蛋白II表达量较低，细胞内收缩力相对较小，因此可以在粘附位点较少的表面上保持粘附和铺展；而SMC的黏着斑主要集中在细胞两端，其肌球蛋白II表达量较高，强大的细胞内收缩力阻碍了其在粘附位点稀少的表面上有效粘附和铺展，从而导致了选择性阻抗效果的实现。

图3 SMC选择性阻抗机理探究。

为了将上述发现向实际应用进行转化，作者通过表面共聚的方式进行涂层技术的开发，并通过调控共聚物中PEG的含量成功制备了选择性阻抗聚合物涂层（SCR），并全面评估了EC和SMC在涂层表面的细胞行为，包括粘附、增殖、迁移和内皮化。结果表明，SCR涂层可以有效阻抗SMC的粘附、增殖和迁移，同时支持EC的生长，最终实现结构完整和功能正常内皮层的再生，其效果甚至优于EC选择性多肽REDV。

图4 SMC选择性阻抗聚合物涂层对细胞粘附、增殖、迁移、内皮化的影响。

最后，作者将选择性细胞阻抗聚合物涂层修饰到316L不锈钢丝上，并植入大鼠腹主动脉，进行体内效果验证。结果表明，其具有优异的抑制内膜过度增生和促进内皮化的效果。

图5 SMC选择性阻抗聚合物涂层的体内促内皮化与抑制内膜增生效果。

总结：作者利用高通量梯度芯片证明了特定的抗污表面能够选择性地影响不同类型细胞的粘附，通过微调表面的抗污特性，无需使用特定的生物活性分子即可实现组织再生的调控；开发出了一种能选择性阻抗SMC并支持EC的抗污表面；机制研究表明，这种选择性阻抗归因于材料表面细胞黏附位点的减少以及不同细胞内收缩力的固有差异；最后，开发了一种EC选择性聚合物涂层，其不仅能抑制SMC的粘附、增殖和迁移，还能增强EC的竞争力，从而在体内减少内膜增生并促进内皮化。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c01433

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（责任编辑：xu）

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