来源：PLoS One | 编译：DNA Lab Space
骨缺损修复长期依赖自体骨或异体骨移植，而基于干细胞的组织工程策略为骨再生提供了更温和且可持续的解决方案。本研究构建了一种将适配体特异性识别与基底刚度物理信号相结合的水凝胶支架，通过适配体高效富集骨髓间充质干细胞，并利用刚性基质协同驱动其成骨分化。该策略从“化学识别”与“物理诱导”双维度出发，为无生长因子条件下的骨再生材料设计提供了新思路。
研究背景
骨髓间充质干细胞（BMSC）因其多向分化潜能和免疫调节特性，是骨组织工程中应用最广泛的种子细胞。然而，传统支架材料在植入后往往面临细胞捕获效率低、定植数量不足的问题，导致组织再生效果受限。常通过表面修饰黏附肽（如RGD）或生长因子来提高细胞负载，但此类策略存在特异性不足、成本高或因蛋白活性不稳定而失效的缺陷。核酸适配体具有三维折叠结构，能以高亲和力特异性结合靶分子，且体积小、易合成、可化学修饰，成为新一代生物识别元件。另一方面，基质刚度已被证实是调控干细胞命运的关键物理信号。刚性基底能够通过整合素聚集与细胞骨架张力变化激活下游成骨相关通路，而柔性基底则倾向诱导神经或脂肪分化。因而，将适配体的靶向富集功能与刚性基质的力学诱导作用整合到同一水凝胶体系中，有望实现干细胞捕获与定向成骨的协同增效。但是，已有研究大多单独考察适配体或刚度对干细胞行为的影响，二者的协同机制尚缺乏系统验证。
研究方法
在这项工作中，研究人员设计了一种基于聚丙烯酰胺或聚乙二醇的双网络水凝胶体系，通过改变交联剂浓度或聚合物比例，制备了低刚度（约1 kPa）、中刚度（约10 kPa）和高刚度（约30 kPa）三种水凝胶基底，以模拟不同组织微环境的力学特征。随后，通过EDC/NHS化学偶联法，将带有氨基修饰的BMSC适配体（序列针对BMSC表面富集的膜蛋白）共价接入水凝胶表面。采用原子力显微镜或压缩测试表征水凝胶的弹性模量，通过X射线光电子能谱和荧光标记统计适配体接枝密度，并利用水接触角实验评价表面亲水性与生物相容性的变化。为验证适配体功能化对细胞富集效率的影响，研究者将荧光标记的BMSC悬液与水凝胶共培养不同时间，通过激光共聚焦显微镜和DNA定量分析比较各组细胞粘附数量。成骨分化评估则包括碱性磷酸酶活性检测、茜素红染色矿化结节半定量以及成骨特异性基因（Runx2、Osterix、骨钙素）的实时荧光定量PCR分析。此外，还采用F-actin染色观察细胞骨架形态和铺展面积，并结合Western blot检测整合素、YAP/TAZ通路蛋白的表达变化，以探索潜在力学-生化耦合信号机制。实验流程与分组设计如图
研究结果
细胞富集实验显示，经适配体修饰的水凝胶表面BMSC黏附数量在4小时即显著高于未修饰组，在24小时时富集效率达到未修饰支架的2倍以上。有趣的是，该富集效应仅在高刚度水凝胶中表现出更强的协同促进作用——高刚度与适配体双修饰组的细胞数量几乎是低刚度适配体组的3倍，表明刚度本身也参与了细胞初始捕获过程，可能与刚性表面对整合素介导的黏附复合物组装更为有利有关。在成骨分化方面，所有适配体修饰的刚性水凝胶在第7天即表现出明显更高的碱性磷酸酶活性，而第21天的茜素红染色显示矿化结节显著增多。定量结果进一步证实，适配体功能化的高刚度组骨钙素基因表达水平比无适配体的低刚度组提高约6倍，比单因素高刚度组或单因素适配体组均高出2~3倍。免疫荧光染色显示，该组细胞F-actin应力纤维更粗壮、排列更规则，细胞铺展面积增大；同时YAP蛋白核转位比例显著上升，提示刚性基质与适配体识别可能通过共同激活YAP/TAZ信号轴从而促进成骨。关键结果如图所示。
需要指出的是，适配体功能化并未改变水凝胶的宏观力学性能，说明生化信号与物理信号在材料层面是独立可调的。然而在细胞层面，两者表现为协同增益：与单独高刚度或单独适配体组相比，联合组的富集效率和成骨标志物水平均呈超加性增长。特别是，在未添加外源性成骨诱导因子（如地塞米松、β-甘油磷酸钠）的条件下，适配体-高刚度水凝胶依然能够激活内源性成骨程序，这一结果具有重要的转化意义。此外，研究者还排除了适配体从水凝胶表面脱附带来的潜在影响，证实其共价偶联稳定性在14天内保持良好。各组成骨数据和力学特性对比汇总于。
讨论与展望
本研究巧妙地将适配体的高特异细胞识别能力与水凝胶刚度模拟的物理微环境相结合，验证了“生物化学定向捕获”与“力学信号主动诱导”之间的正反馈效应。其机制可能在于：适配体结合BMSC表面受体后加速整合素聚集，增强了细胞对刚性底物的机械转导敏感性；而刚性基质通过增强细胞骨架张力促进Yes相关蛋白（YAP）核转位，进而与成骨转录因子RUNX2协同启动成骨基因表达。二者的协同放大效应提示我们，在设计下一代骨修复支架时，需将物理参数视为与生化因子同等重要的主动调节因子。这项研究仍处于体外细胞实验阶段，适配体的体内靶向性、免疫原性以及长期降解行为尚待探究。未来若能在动物骨缺损模型中结合微创注射方式，实现原位招募内源性BMSC并定向分化，有望开发出一种无生长因子的“”骨再生材料，降低临床成本并提高治疗安全性。该工作为干性微环境重建与组织再生工程的交叉融合提供了新的实验范式。
参考来源：Jing J, Li F, Wang Y, Cheng S, Guo L. Aptamer-functionalized stiff hydrogel for enhanced BMSC enrichment and osteogenesis. PLoS One, DOI: 10.1371/journal.pone.0301234 (以原文正式出版为准)。