近期，天津大學化工學院仰大勇課題組在Journal of the American Chemical Society上發表關於DNA水凝膠網絡捕獲幹細胞的研究。天津大學化工學院姚池博士和碩士研究生唐涵為共同第一作者。研究得到國家自然科學基金的資助支持。相關成果已申請中國發明專利。
幹細胞是一類具有自我複製能力的多潛能細胞，其中，骨髓間充質幹細胞具有獨特的生物學功能，如歸巢到受損組織部位、分化為多種類型細胞、分泌多種生物活性分子和發揮免疫調節功能等，對生物醫學研究和細胞治療等具有重大價值。骨髓中的間充質幹細胞含量極低，僅佔單核細胞總數的0.001％~0.01％，因此，從數以萬計的骨髓細胞中捕獲幹細胞且保持幹細胞的活性極具挑戰性。
脫氧核糖核酸（DNA）作為生命遺傳分子，是可編程的生物大分子，近年來開始用於製造新型生物材料，尤其是DNA水凝膠材料蓬勃發展（Progress in Polymer Science, 2019, 101163）。近期，天津大學化工學院仰大勇教授課題組開發了一種基於物理交聯的DNA水凝膠網絡的細胞捕獲策略，實現了對骨髓間充質幹細胞的高效捕獲、三維包封和酶促釋放。這種細胞捕獲策略是通過兩種超長DNA鏈協同作用實現：DNA鏈-1包含能高效靶向幹細胞的適配體序列，特異性錨定幹細胞；DNA鏈-2包含與DNA鏈-1部分互補的序列，通過與DNA鏈-1雜交形成三維網絡，實現幹細胞的三維包封；在核酸酶作用下，DNA網絡被降解，幹細胞可控釋放。這種物理交聯的DNA水凝膠網絡不僅為細胞培養提供了彈性、半溼潤和三維的類細胞外基質環境，而且其適當的孔徑有利於營養物質的運輸以及細胞代謝廢物的排出，可以確保被包封的細胞保持良好的活性。在該研究基礎上，利用DNA分子的可編程性和分子識別能力，可以設計具有不同結構和功能的DNA網絡，為捕獲和培養其他類型的細胞提供了一種通用策略。
圖1. 用於捕獲幹細胞的DNA水凝膠網絡的設計。A）通過滾環擴增方法（RCA）合成超長DNA鏈，以及通過DNA鏈之間鹼基互補配對形成三維DNA網絡的示意圖。B）DNA網絡形成過程中的分子擴散和相轉化。DNA鏈-1和DNA鏈-2分別用SYBR Green II和Gel Red染色。C）高效捕獲、三維包封和酶促釋放的示意圖：1）捕獲：將DNA鏈-1與骨髓間充質幹細胞（BMSC）孵育，適體Apt19S錨定BMSC；2）包封：引入DNA鏈-2以觸發DNA網絡的形成，三維包封BMSC；3）釋放：DNA網絡可被核酸酶DNase I降解，釋放BMSC。
論文信息：
Chi Yao+, Han Tang+, Weijian Wu, Jianpu Tang, Weiwei Guo, Dan Luo, Dayong Yang*, Double Rolling Circle Amplification Generates Physically Crosslinked DNA Network for Stem Cell Fishing. Journal of the American Chemical Society, 2020.
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b11001
仰大勇 博士，天津大學化工學院教授、院長助理，入選國家級海外人才計劃、國家優青、天津市傑青。現任天津大學校學術委員會委員、中國生物醫學工程學會納米醫學與工程分會委員。課題組研究方向是材料化學與生物醫學的交叉領域，聚焦DNA合成與智能製造，利用材料化學的手段理解生命系統運行機制，探索重大疾病的診斷治療新途徑。
課題組主頁：
http://yanglab-dna.com/
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