新多孔水凝胶可以改善干细胞组织再生的成功

在该图像中，使用在Wyss Institute的新的水凝胶策略移植干细胞后形成新的骨结构。

使用新的多孔水凝胶，科学家通过提高移植干细胞的存活率并影响其细胞分化来通过实验改善骨修复。

可能的干细胞疗法通常受移植干细胞的低存活率的限制，并且对其分化缺乏精确控制进入修复或替换受伤组织所需的细胞类型。哈佛大学Wyss Institute的核心教师会员David Mooney领导的团队现已制定了一种通过通过提高移植干细胞的存活率和影响其细胞分化来通过实验改善骨骼修复的策略。该方法将干细胞嵌入多孔，可移植的水凝胶中。

除了Mooney之外，该团队还包括一个Wyss副教育和Julius Wolff和肌肉骨骼研究所的Wyss Computions＆Musculosketal博物馆兼伯利尼斯·斯科特·梅迪萨州柏林的博览会副主任，Wyss学院创始总监Donald Ingber。该团队在当今的自然材料问题上发表了其调查结果。Mooney也是罗伯特P. Pinkas家族教授，在哈佛John A. Paulson工程和应用科学学院。

干细胞疗法具有修复许多组织和骨骼的可能性，甚至用于更换器官。现在可以在实验室中产生组织特异性干细胞。然而，无论在实验室中生长如何，干细胞必须在移植后妥善存活并效果。让他们这样做是研究人员的重大挑战。

在14天的时间内，这些图像（来自顶部）显示在新型注射水凝胶中形成的空隙空间。空隙空间用作“干细胞利基”，以提高移植干细胞的增殖和成熟，这可以利用以改善组织再生疗法。

Mooney的团队和其他研究人员已经确定了STEM细胞NICHE的特定化学和物理提示（干细胞生存和来自其他细胞类型和环境因素的支持），以促进干细胞存活，乘法和成熟到组织中。虽然控制干细胞行为的化学信号越来越明朗地理解，关于干细胞核桃的机械性质，已知得多。然而，已经发现，在实验室中培养的骨，软骨或肌肉中存在的干细胞具有机械敏感性，这意味着它们需要具有限定的弹性和刚度的物理底物与增殖和成熟的刚度。

“到目前为止，这些物理影响尚未有效地利用现实世界的再生过程，”由纪念和学习的第一作者合作的研究生纳撒尼尔Huebsch说。“基于我们对机械敏感干细胞的经验，我们假设可以利用水凝胶在第一模型中产生正确的化学和机械线索。”

两个具有截然不同性质的水填充水凝胶是Mooney团队方法的关键。更稳定，持久的“散装凝胶”填充有一秒的小气泡，即较快的速度降低，留下多孔腔。

通过将块状凝胶与衍生自真正的干细胞核桃的细胞外环境的小“肽”，并将其与组织特异性干细胞类型和孔子混合，该团队可以产生骨形成的人造利基。虽然散装凝胶仅提供正确的弹性量加上同轴干细胞的相关化学信号，致孔剂逐渐破裂，留下开放的空间，在它们完全迁移出凝胶结构之前膨胀。形成实际的矿化骨组织。

在到目前为止进行的小动物实验中，研究人员表明，具有正确化学和弹性性质的空隙形成水凝胶提供比单独移植干细胞更好的骨再生。进一步的兴趣，水凝胶展开的成熟干细胞也诱导附近的天然干细胞，以有助于骨骼修复，进一步扩增其再生效果。

“本研究提供了第一次证明生物材料的物理性质不仅可以帮助提供干细胞，还可以在体内调整它们的行为，”默尼说。“虽然到目前为止，我们专注于协调骨骼形成，我们相信我们的水凝胶概念也可以广泛地应用于其他再生过程。”

合作，跨纪作品得到了哈佛大学材料研究科学和工程中心（MRSEC）的支持，由国家科学基金会（NSF）提供资金。

“这是一个精致的MRSEC计划的高影响力，”NSF计划总监Dan Finotello说。“MRSECS汇集了多种经验的研究人员，并互补专业知识，然后能够以更快的速度推进科学。”

国家卫生研究院提供额外资金;比利时美国教育基金会;爱因斯坦基金会柏林;柏林 - 勃兰登堡学院进行再生疗法;哈佛大学研究计划;和NSF研究生研究，爱因斯坦访问，哈佛大学奖，Herchel-Smith和Pechet家族基金奖学金。

出版物：Nathaniel Huebsch等，“空隙形成水凝胶的基质弹性控制移植 - 干细胞介导的骨形成，”自然材料（2015）; DOI：10.1038 / NMAT4407