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MgFe-LDH通过选择性激活不同细胞膜受体实现对ESC细胞的双向调控

近期，同济大学生命科学与技术学院程黎明/朱融融团队在Advanced Functional Materials（IF:19）上在线发表文章Two-Way Regulation of MgFe-LDH on ESC Cell Fate via Temporal Selective Activation of Different Cell Membrane Receptors，该项研究发现一种纳米材料MgFe-LDH在ESCs分化不同时间点加入时可以选择性激活不同的受体从而实现对ESCs分化的双向调控。

本文研究中CCK-8和EdU Imaging Kits (Cy5)由APExBIO提供。

Cell Counting Kit-8 (CCK-8)

Catalog No. K1018

EdU Imaging Kits (Cy5)

Catalog No. K1076

研究背景

胚胎干细胞(ESCs)是一类非常重要的细胞，其可以在合适的诱导条件下分化为特定的神经细胞，如神经前体细胞(NPCs)。NPCs不仅拥有自我更新和分化成所有神经细胞的能力，还可以用于修复神经系统的受损部位，在许多神经疾病的治疗上具有巨大潜力。但是目前关于调控ESCs分化成NPCs的分子机制尚不十分清晰。

近年来，有许多研究报道纳米材料可以通过特定的物理化学性质影响ESCs的分化。因此寻找可以调控ESCs分化命运的新型纳米材料并阐明其作用机制具有重要意义。

研究工作

1.合成并表征MgFe-LDH

作者首先合成了具有层状结构的纳米材料MgFe-LDH，并通过透射电镜(TEM)、动态光散射(DLS)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等手段对MgFe-LDH的粒径分布、表面电位、晶体结构等进行了详细的表征。

2. MgFe-LDH具有良好的生物相容性

为了探究MgFe-LDH的生物相容性，作者进行了CCK-8、EdU和Annexin V凋亡检测等实验。CCK-8结果显示MgFe-LDH和NPCs共培养后的细胞存活率和未处理细胞无明显差异。EdU和Annexin V凋亡实验结果则表明MgFe-LDH处理不会影响细胞的增殖、凋亡和周期分布。

总之，这些实验结果都表明MgFe-LDH具有良好的生物相容性。

3. MgFe-LDH可以调节mESCs向NPCs的分化

随后为了进一步探究MgFe-LDH的作用。作者建立了一个小鼠胚胎干细胞mESCs向NPCs的分化模型。qPCR和免疫荧光结果都显示在分化第5天加入MgFe-LDH可以显著提高NPCs标志物Sox1、Pax6、N-cadherin等的表达，说明MgFe-LDH可以促进向NPCs的分化。之后作者又检测了在不同时间点加入MgFe-LDH对mESCs分化的影响，结果表明在分化第一天加入会显著上调干性标志物Oct4和Nanog的表达，同时下调NPCs标志物的表达，即抑制向NPCs的分化。而在第3天加入MgFe-LDH的结果则恰恰相反，其可以明显促向NPCs的分化。

4. MgFe-LDH通过与不同靶点结合双向调控mESCs分化

为了阐明MgFe-LDH调控mESCs分化的具体机制，作者利用RNA测序、KEGG分析发现MgFe-LDH在分化第一天加入时主要上调可以调节多能性的通路和Jak-STAT通路，在第三天加入时则主要上调Hedgehog通路和轴突导向信号通路。通过PPI分析，作者发现白血病抑制因子受体Lifr是分化第一天加入MgFe-LDH的关键靶点；Hedgehog配体Shh与其受体Ptch1是分化第三天加入MgFe-LDH的关键靶点。

5. MgFe-LDH在NPCs分化中与Lifr和Ptch1的结合转变

纳米材料可以和细胞膜受体结合从而调控细胞命运。之前的研究已经表明MgFe-LDH可以和细胞膜受体结合从而调控mESCs命运，但是MgFe-LDH如何和膜受体结合调控mESCs向NPCs分化的机制仍不清晰。这里，作者通过荧光共定位实验发现在分化第一天加入时MgFe-LDH主要和Lifr结合，在分化第三天加入时则主要和Ptch1结合。同时，可以发现Lifr在分化第一天表达比较高，在第三天表达比较低，Ptch1则相反。此外，作者发现Lifr位于细胞膜上方15 nm，而Ptch1则位于细胞膜上方6 nm，这可能是导致MgFe-LDH结合具有选择性的原因。

6. MgFe-LDH通过Shh-Ptch1通路调控mESCs向NPCs的分化

基于之前的转录组实验，作者又进行了单细胞转录组检测。结果显示在单细胞水平上，分化第三天加入MgFe-LDH也可以促进NPCs的分化。随后作者通过免疫荧光、Western Blot和qPCR实验证明敲低Ptch1后，分化第三天加入MgFe-LDH无法上调NPCs标志物的表达，这说明分化第三天MgFe-LDH的确是通过Shh-Ptch1促进NPCs的分化。同时作者进行了Lifr敲低实验，并发现分化第一天MgFe-LDH是通过Lifr抑制NPCs的分化。

7. MgFe-LDH与Lifr和Ptch1的结合能力不同导致不同的调控方式

进一步的免疫荧光实验结果显示分化第一天敲低Lifr可以显著增加MgFe-LDH和Ptch1的结合，而在第三天过表达Lifr对MgFe-LDH和Ptch1的结合影响不大。这表明MgFe-LDH是竞争性结合Lifr和Ptch1。分子动力学模拟则显示MgFe-LDH和Lifr的结合比较多。这可能也是导致MgFe-LDH与Lifr和Ptch1结合时具有选择性的原因。

研究结论

简而言之，本文发现MgFe-LDH可以通过在分化不同时间点选择性结合Lifr（第一天）或Ptch1（第三天）实现对ESCs分化的双向调控。这为干细胞的命运调控提供了新的策略和工具，同时也为神经发育和再生医学领域的精准治疗提供了新的可能性。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202314112