N-钙黏蛋白仿生三维水凝胶编程人脂肪间充质干细胞促再生与免疫调节状态

《Scientific Reports》：N-cadherin–mimetic 3D hydrogels program pro-regenerative and immunomodulatory states in human adipose-derived mesenchymal stem cells

本研究针对传统二维培养导致间充质干细胞(MSC)干性丧失和免疫调节功能不可控的难题，开发了呈现N-钙黏蛋白HAVDI motif的肽两亲性水凝胶。研究发现3D HAVDI水凝胶不仅能维持MSC表面标志物(CD73/CD90/CD105)高表达，还通过激活p120-catenin/β-catenin信号通路上调基质重塑基因(MMP2/PLAU)和血管生成基因(VEGFR2)，并诱导独特的"预激活-耐受"免疫表型：在无刺激时高表达IL-1β/IFN-γ等细胞因子，LPS刺激后反而下调，为干细胞治疗提供了可调控免疫环境的创新平台。

　　

在再生医学领域，间充质干细胞(MSC)因其多向分化潜能和强大的免疫调节能力被视为细胞治疗的明星工具。然而临床应用中存在一个关键瓶颈：传统二维培养瓶中的干细胞会逐渐丧失其天然特性——扁平坚硬的培养塑料改变了细胞形态，导致干性相关基因表达下降，分泌功能紊乱，更重要的是无法模拟体内干细胞巢(niche)的微环境特征。尤其对于免疫调节功能，MSC并非天生具备该能力，需要微环境信号的"许可"才能激活。如何通过生物材料模拟天然干细胞巢，既维持干细胞身份又精确调控其免疫功能，成为领域内亟待突破的难题。

近日发表于《Scientific Reports》的研究给出创新解决方案。由土耳其 Lokman Hekim 大学Seher Yaylaci博士团队领导的研究小组设计了一种仿生三维水凝胶，通过模拟N-钙黏蛋白的细胞粘附机制，成功将人脂肪来源间充质干细胞(ADMSC)重编程为兼具促再生和可控免疫调节功能的状态。这项研究为干细胞治疗产品的质量控制提供了全新思路。

研究团队采用了几项关键技术：通过固相肽合成技术制备含HAVDI序列的肽两亲性材料，利用扫描电镜和流变学表征水凝胶的纳米纤维结构和力学性能；使用商业来源的人脂肪间充质干细胞进行三维封装培养；通过qRT-PCR分析基因表达，流式细胞术检测表面标志物，并结合激光共聚焦显微镜观察细胞形态。

HAVDI-PA不影响ADMSC活力并支持2D培养中的稳定增殖

细胞相容性实验表明，HAVDI-PA涂层表面不会引起细胞毒性，Calcein-AM染色显示细胞保持典型纺锤形形态，细胞增殖速率与常规培养相当。值得注意的是，72小时时MTT信号在所有肽涂层组均出现适度下降，研究人员认为这反映了细胞对新材料环境的代谢适应而非毒性反应。

HAVDI-PA保持干性并激活3D培养ADMSC中的β-连环蛋白信号

流式细胞术证实，无论在二维涂层还是三维水凝胶中，ADMSC均高表达CD73、CD90和CD105等MSC标志物(>90%)，表明干细胞身份得到维持。基因分析显示3D HAVDI组p120-连环蛋白和β-连环蛋白表达分别上调6.5倍和9.8倍，提示N-钙黏蛋白介导的细胞粘附信号通路被成功激活。

3D HAVDI-PA诱导高基础细胞因子转录和LPS耐受反应

最显著的发现出现在免疫基因表达谱分析中。在未刺激状态下，3D HAVDI组细胞的IL-1α、IL-1β、IFN-γ、IL-8、TNF-α和GM-CSF等细胞因子基础转录水平显著高于其他所有组别，呈现"预激活"状态。然而当用LPS(脂多糖)刺激时，这些基因不仅没有进一步上调，反而大幅下降，表现出类似免疫细胞的"耐受"现象。这种先激活后抑制的双相调节模式在二维培养和混乱序列对照组中均未出现，证明是HAVDI序列在三维环境中的特异性效应。

HAVDI-PA上调3D培养ADMSC中的再生基因表达

在再生潜能方面，3D HAVDI水凝胶显著提升了基质金属蛋白酶2(MMP2)、尿激酶型纤溶酶原激活剂(PLAU)和血管内皮生长因子受体2(VEGFR2)的表达。这些基因分别参与细胞外基质重塑和血管生成过程，表明材料不仅维持干细胞特性，还主动引导其向组织修复功能分化。

研究结论指出，HAVDI/K-PA水凝胶通过模拟N-钙黏蛋白的生物学功能，在三维物理约束环境的协同作用下，创造了独特的干细胞微环境。这种环境既能稳定cadherin-catenin粘附复合物维持干细胞特性，又能通过"预激活-耐受"机制精确调控免疫反应，避免过度炎症。该研究首次证实N-钙黏蛋白仿生信号可作为非炎症性许可刺激，为设计下一代干细胞治疗产品提供了新范式，在骨修复、植入物整合和炎症性疾病治疗等领域具有广阔应用前景。