在体内环境中，每一种细胞都生存在自己独特的生态位中，如细胞粘附分子（Cell adhesion molecules，CAMs）通过多种机制实现细胞间以及细胞与细胞外基质（Extracellular matrix，ECM）之间的相互作用，这些相互作用由受体、激素、生长因子介导，促进广泛的细胞信号传导过程，直接或间接调节干细胞增殖、黏附、自我更新特性和多谱系分化。ECM的主要成分是胶原蛋白、糖蛋白（层粘连蛋白、玻连蛋白和纤连蛋白等）和蛋白聚糖^[1]。ECM通过激活信号通路而对细胞的黏附、功能和组织稳定至关重要，这些信号通路通过与细胞表面受体（主要是整合素）结合而激活。在大多数情况下，干细胞是通过使用未定义的接触表面和异种成分来培养的。然而，干细胞在组织再生和细胞治疗中的有效稳定应用需要提供化学定义、成分明确、非异种、可复现和可扩增的培养条件。因此，在干细胞培养体系中额外加入ECM的特定成分能够稳定可控地为干细胞提供必要的生存环境。

 

图1.干细胞生态位的组成^[2]
 

基质胶（Matrigel）

 

基质胶是一种从EHS小鼠肉瘤细胞中分离出来的胶状基底膜提取物，由多种ECM蛋白(层粘连蛋白、胶原IV、纤连蛋白、硫酸肝素和entactin)、生长因子和蛋白聚糖组成^[3]，可以非常有效地维持干细胞的增殖并支持后续分化，但基质胶培养体系存在致病性污染的可能性，并且批次之间的差异较难控制，使其在再生医学和细胞治疗中的应用存在风险和不稳定因素。

 

玻连蛋白（Vitronectin）

 

玻连蛋白是一种存在于血清和ECM中的小分子量糖蛋白，能够促进细胞黏附、伸展和迁移。玻连蛋白可以与整合素αvβ5和αvβ1相互作用^[4]，能够维持干细胞的多能性、正常核型和体外分化的能力^{[5, 6]}。在多能干细胞培养中可以有效地代替Matrigel，维持细胞增殖和正常的细胞特性。

图2.Vitronectin可以维持人多能干细胞的生物学特性^[7]

 

纤连蛋白（Fibronectin）

 

纤连蛋白是广泛分布的一种大分子量细胞外糖蛋白，由于纤连蛋白具有多个结合域，使其能够与ECM蛋白和CAMs结合，从而调控不同的信号通路，并最终参与细胞迁移、黏附、增殖、胚胎生成和伤口愈合等生物学过程，作为多能干细胞培养基质时，可以促进细胞生长，提高细胞贴壁率，增强细胞代谢水平，促进干细胞的自我更新，并可在特定的培养体系中促进干细胞向心肌细胞、胰岛细胞等分化^{[8, 9]}。

 

图3.Fibronectin在 hPSC 心脏分化开始时至关重要^[8]

 

层粘连蛋白（Laminin）

层粘连蛋白是一种十字形三聚体蛋白，含有α、β和γ链，被认为是基底膜的主要成分^[10]。由于层粘连蛋白具有多种细胞结合基序，可以与细胞整合素和蛋白聚糖结合，激活FAK、AKT、YAP等信号通路，从而调节多能干细胞的自我更新，分化和多能性^{[11, 12]}。层粘连蛋白亚型的命名是基于它们链的组成，例如，由α5、β2和γ1三条链组成的异源三聚体糖蛋白被称为Laminin-521；α5，β1和γ1的组合被称为Laminin-511。Laminin-521和511是最早表达的胞外蛋白，在胚胎2-4细胞期就已经可以检测到，这也为它维持多能干细胞增殖和特异性分化提供了潜能。与Matrigel相比，Laminin-511具有更好的粘附多能干细胞能力和相似的自我更新特性^[13]，且能提高完全解离后的细胞存活率，而纤连蛋白和玻连蛋白不能维持游离细胞的存活。

 

图4.Fibronectin、Laminin可以维持人多能干细胞的生物学特性^[13-15]

 

 

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参考资料

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