【引言】

二维纳米材料作为一种超薄的材料，比如石墨烯、纳米黏土和过渡金属氧化物等，因为所具有的一系列优良性能而受到了广泛的关注，但是这类二维纳米材料的物理和化学性质对细胞的影响，包括细胞毒性、生物活性和治疗效果等等，却不得而知。

【成果简介】

近日，美国德克萨斯农工大学的Akhilesh K. Gaharwar教授和美国康奈尔大学的Iritisha Singh教授，通过高通量测序的方法研究了二维纳米硅酸盐材料对间充质干细胞转录组的影响。通过研究间充质干细胞转录组的变化来分析细胞与二维纳米硅酸盐材料之间的相互作用，揭示了二维纳米硅酸盐材料所诱导的细胞内生物化学和生物物理过程。这个工作可以通过二维纳米硅酸盐材料对转录组的影响来预测细胞之后的动态变化。该成果以题为"Widespread Changes in Transcriptome Profile of Human Mesenchymal Stem Cells Induced by Two-Dimensional Nanosilicates"发表在Proc. Natl. Acad. Sci.上。

【图文导读】

图1 纳米硅酸盐和间充质干细胞之间的生物物理作用

(a).二维硅酸盐材料通过静电作用与生物流体中的蛋白质相结合，再以内吞的方式进入细胞

(b).二维硅酸盐材料通过内吞的方式进入细胞后在细胞内的分布

(c).流式结果证明罗丹明标记的纳米硅酸盐可以通过剂量调节胞吞量

(d).LAMP1染溶酶体膜追踪纳米硅酸盐

(e).纳米硅酸盐处理细胞后，细胞的基因表达变化

(f).纳米硅酸盐处理细胞后，细胞的基因表达变化

图2 纳米硅酸盐导致压力诱导的MAPK信号传递

(a).纳米硅酸盐激活压力相关的响应

(b).与压力活化的激酶信号传递相关的基因表达出现不同

(c).MAP4K4和TAOK1基因表达的改变

(d).TAOK1基因表达的对比

(e).纳米硅酸盐处理后，细胞ROS的产生，相关RNA转录和蛋白质合成

(f).流式细胞仪分析结果

(g).纳米硅酸盐处理后，p-MEK1/2产生

图3 转录组分析解释了纳米硅酸盐诱导的生物活性

图4 纳米硅酸盐诱导人类间充质干细胞分化

(a).纳米硅酸盐诱导细胞产生COL1A1和COMP

(b).纳米硅酸盐诱导细胞产生GAGs

(c).纳米硅酸盐对成骨分化的影响

【小结】

在这个工作中，作者通过高通量测序的方法研究了二维纳米硅酸盐材料对间充质干细胞转录组的影响。通过研究间充质干细胞转录组的变化来分析细胞与二维纳米硅酸盐材料之间的相互作用，揭示了二维纳米硅酸盐材料所诱导的细胞内生物化学和生物物理过程，对后续细胞的行为可进行一定的预测。