三维基质中黏弹性N-钙黏蛋白样相互作用维持神经祖细胞干性

本研究针对神经祖细胞(NPCs)体外培养中因神经球形成导致的缺氧和干细胞特性丧失问题，通过构建含动态共价键的透明质酸(HA)/类弹性蛋白(ELP)复合水凝胶(HELP)，结合整合素结合肽RGD和N-钙黏蛋白衍生肽HAVDI，实现了NPCs的三维分散培养。研究发现基质黏弹性和HAVDI信号协同激活β-catenin通路，维持干细胞特性并促进长期扩增，最终分化为功能性神经元。该成果为神经再生治疗提供了新型3D培养平台，发表于《Nature Communications》。

　　

神经再生医学领域长期面临一个关键挑战：如何在体外扩增神经祖细胞(NPCs)时维持其干细胞特性。传统神经球培养方式虽然能促进细胞间接触，但会形成致密核心导致缺氧坏死，而二维培养又无法模拟生理微环境。更棘手的是，随着年龄增长或疾病状态，NPCs的自我更新能力会显著下降。这些瓶颈严重制约了NPCs在神经系统修复治疗中的应用。

斯坦福大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们设计了一种名为HELP的智能水凝胶系统，通过调控基质黏弹性和仿生信号，成功实现了NPCs的三维分散培养。这种水凝胶由透明质酸(HA)和类弹性蛋白(ELP)组成，利用动态共价键实现应力松弛特性，并整合了RGD(整合素结合肽)和HAVDI(N-钙黏蛋白衍生肽)双功能信号。

研究采用的关键技术包括：(1)动态共价交联水凝胶的合成与表征；(2)新型HAVDI-ELP蛋白的分子设计；(3)剪切流变学分析基质力学性能；(4)免疫荧光和Western blot检测干细胞标志物(Nestin/Sox2)；(5)钙成像评估神经元功能成熟度；(6)使用成人海马来源的小鼠NPCs进行三维培养实验。

基质应力松弛促进细胞接触介导的干性维持
通过比较静态(弹性)和动态(黏弹性)HELP水凝胶，研究发现只有具有应力松弛特性的基质能支持NPCs形成神经球并维持高水平的干性标志物Nestin和Sox2表达。在静态凝胶中，NPCs保持单细胞状态且干性显著降低，证实基质重塑能力对干细胞特性的关键作用。

N-钙黏蛋白粘附相互作用实现分散3D培养
当在快速松弛的HELP凝胶中同时加入RGD和HAVDI肽时，NPCs不再形成神经球，而是以单细胞形式均匀分布。令人惊讶的是，这些分散细胞仍通过基质中的HAVDI肽激活N-钙黏蛋白/β-catenin信号通路，维持了与神经球培养相当的干性水平。阻断实验证实HAVDI特异性诱导了β-catenin靶基因Axin2的表达。

分散3D培养支持长期扩增
长达14天的培养显示，神经球内部出现明显的缺氧和凋亡(cleaved caspase-3阳性)，而分散培养的NPCs保持高活性和持续增殖。代谢活性检测表明，分散培养的扩增能力是神经球培养的2倍以上。

增强神经分化能力
在分化条件下，分散培养的NPCs能更均匀地分化为星形胶质细胞(S100β+/GFAP+)和神经元(MAP2+/βIII-tubulin+)。特别是分化的神经元表现出成熟特征：形成突触后密度蛋白95(PSD95)和突触素I(SYN1)组成的突触结构，并对γ-氨基丁酸(GABA)刺激产生钙瞬变响应。

这项研究首次揭示了基质力学特性(黏弹性)与生化信号(HAVDI)的协同作用机制。通过模拟天然脑组织的物理特性和细胞间通讯方式，建立的HELP平台解决了神经球培养的三大局限：缺氧坏死、异质性分化和有限扩增能力。更重要的是，该技术不需要复杂的生长因子组合，仅通过工程化基质就能指导干细胞行为，为规模化生产治疗用NPCs提供了新思路。从转化医学角度看，这种能同时维持干细胞特性和促进功能分化的3D培养系统，在帕金森病、脊髓损伤等神经系统疾病的细胞治疗中具有重要应用前景。