中国科学院化学研究所董原辰团队 AM丨DNA水凝胶＂重编程＂干细胞
文献溯源
原名:DNA Supramolecular Hydrogel Alters Exosomal microRNA Atlas and Paracrine Secretory Profile of MSCs to Promote Bone Remodeling and Ameliorate Osteoradionecrosis of the Jaw
颌骨放射性骨坏死是头颈部放疗后出现的严重并发症，由于局部组织微环境恶劣，传统治疗方法难以有效恢复骨再生能力。本研究针对间充质干细胞疗法在体内快速分散清除、无法维持长期活性的关键瓶颈，开发了一种可注射的自组装DNA超分子水凝胶作为三维培养支架。该水凝胶由Y形DNA支架和连接链通过碱基互补配对自组装形成，具有良好的剪切稀化特性、自愈合能力和生物相容性，能够将人脐带间充质干细胞均匀包封于三维网络中，并通过局部滞留效应将细胞及其外泌体的体内保留时间从3天延长至3周以上，为骨修复提供了持续的 therapeutic cargo 来源。
在机制研究方面，该DNA水凝胶三维微环境通过调控细胞的机械感知信号通路，显著改变了间充质干细胞的分泌特征。具体而言，水凝胶诱导的细胞球形形态抑制了FAK-整合素信号和Hippo-YAP机械转导通路，导致YAP1表达及其靶基因下调，进而使细胞功能从黏附取向转变为促再生分泌表型。转录组分析显示，三维培养的干细胞显著上调了肝细胞生长因子、骨髓衍生生长因子等促血管生成因子，以及白细胞介素1受体拮抗剂等抗炎因子和超氧化物歧化酶等抗氧化因子的表达。更为重要的是，小RNA测序揭示水凝胶培养彻底重塑了干细胞来源外泌体的microRNA图谱：miR-146a-5p表达显著富集，而miR-125b-5p表达明显降低。功能验证表明，miR-146a-5p能够有效保护骨骼干祖细胞免受辐射损伤并维持其成骨分化能力，同时抑制M1巨噬细胞极化；而miR-125b-5p的减少则解除了对成骨分化的抑制作用。这种外泌体cargo的定向调控使治疗性外泌体的总RNA含量提升约2000倍，显著增强了其生物学活性。
在颌骨放射性骨坏死小鼠模型中，负载间充质干细胞的DNA水凝胶展现出卓越的治疗效果。影像学和组织学分析表明，该联合治疗组实现了坏死骨的有效清除和新骨形成的协调平衡，骨体积分数显著优于单纯细胞治疗组和单纯水凝胶组，骨组织结构接近正常对照。值得注意的是，治疗组血清中白细胞介素6、干扰素γ和肿瘤坏死因子α等促炎细胞因子水平显著降低，表明该策略同时具有系统性免疫调节作用。本研究建立了通过智能生物材料主动调控细胞分泌谱的治疗新范式，为放射性骨损伤等难治性疾病的细胞治疗提供了具有临床转化潜力的平台策略。
本图展示了DNA超分子水凝胶（DNASH）的设计、流变学特性及其作为间充质干细胞三维培养支架的性能表征。图A为水凝胶构建原理示意图：Y形DNA支架与连接链通过碱基互补配对自组装形成三维网络，包封的间充质干细胞在三维微环境中发生机械感知信号改变，进而重编程其外泌体miRNA图谱（miR-146a-5p上调、miR-125b-5p下调）和旁分泌因子表达。图B-D为水凝胶的流变学特性：时间扫描显示储能模量（G'）始终高于损耗模量（G"），证实其固态凝胶性质；应变扫描表明在0.1%-20%应变范围内G'保持恒定，超过20%后G'急剧下降而G"上升，呈现典型的剪切稀化行为；循环应变测试（1%与100%交替）显示凝胶-溶胶转变完全可逆，具有良好的自愈合性。图E展示水凝胶的可注射性，其能通过22G针头挤出并在针尖维持稳定形状。图F为扫描电镜显示的多孔三维网络结构。图G和H为激光共聚焦显微镜图像，显示DiI标记的细胞膜（红色）和DAPI标记的细胞核（蓝色）在XY平面和Z轴方向上均匀分布，证实水凝胶实现了细胞的高密度均匀三维包封，且凝胶化过程具有良好的细胞相容性。1. 智能递送系统突破滞留瓶颈：本研究开发的DNA超分子水凝胶作为可注射支架，通过物理包封将间充质干细胞及其外泌体的体内滞留时间从3天延长至3周以上，有效解决了细胞疗法快速分散清除的关键瓶颈，为需要长期治疗的骨修复提供了持续的 therapeutic cargo 来源。
科研思维积累
2.关注材料-细胞互作的动态调控而非静态支撑：突破传统水凝胶仅作为物理支架的认知局限，深入探究三维微环境如何通过机械转导通路（FAK-Integrin、Hippo-YAP）主动改变细胞行为。将研究重点从"细胞在材料中能否存活"转向"材料如何编程细胞功能"，特别是发现外泌体miRNA图谱的显著改变（miR-146a-5p↑2000倍RNA含量），揭示了材料作为"细胞工厂"调控平台的潜力。
3.机制研究与功能验证的深度结合：不仅观察治疗表型（骨再生），更通过多组学手段（RNA-seq、small RNA-seq）解析分子机制，并采用功能获得/缺失实验（miRNA mimics）验证关键分子的因果关系。将材料性能、细胞分泌谱改变、外泌体cargo调控、靶细胞功能验证四个层面贯通，形成"材料-细胞-外泌体-组织修复"的完整证据链，为智能生物材料的设计提供了可推广的研究范式。
