生物材料介導(dǎo)干細(xì)胞向胰島細(xì)胞分化策略演講人生物材料介導(dǎo)干細(xì)胞向胰島細(xì)胞分化策略總結(jié)與未來展望生物材料介導(dǎo)分化的階段協(xié)同策略與挑戰(zhàn)生物材料介導(dǎo)干細(xì)胞胰島分化的核心機(jī)制生物材料類型及其在干細(xì)胞胰島分化中的基礎(chǔ)作用目錄01生物材料介導(dǎo)干細(xì)胞向胰島細(xì)胞分化策略生物材料介導(dǎo)干細(xì)胞向胰島細(xì)胞分化策略1.引言：干細(xì)胞分化與胰島細(xì)胞再生治療的迫切需求作為一名長期從事組織工程與再生醫(yī)學(xué)研究的工作者，我深刻體會(huì)到糖尿病治療領(lǐng)域面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。全球約有5.37億成年人患有糖尿病，其中1型糖尿?。═1D）患者因自身免疫反應(yīng)破壞胰島β細(xì)胞，完全依賴外源性胰島素維持生命；而2型糖尿病（T2D）患者也存在β細(xì)胞功能進(jìn)行性衰退的問題。當(dāng)前，胰腺移植或胰島移植雖能實(shí)現(xiàn)功能性治愈，但供體短缺、免疫排斥及移植后功能快速衰退等問題嚴(yán)重限制了其臨床應(yīng)用。干細(xì)胞技術(shù)的出現(xiàn)為胰島細(xì)胞再生提供了全新思路——通過誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）或胚胎干細(xì)胞（ESC）定向分化為功能性胰島細(xì)胞，理論上可無限量提供移植細(xì)胞來源。然而，傳統(tǒng)二維（2D）分化體系模擬體內(nèi)微環(huán)境的能力有限，分化效率低、細(xì)胞功能不成熟等問題亟待解決。生物材料介導(dǎo)干細(xì)胞向胰島細(xì)胞分化策略在這一背景下，生物材料憑借其模擬細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）、調(diào)控細(xì)胞微環(huán)境的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為干細(xì)胞向胰島細(xì)胞分化研究的關(guān)鍵突破口?；仡櫧赀M(jìn)展，從天然高分子材料到智能響應(yīng)型水凝膠，從靜態(tài)支架到動(dòng)態(tài)3D打印系統(tǒng)，生物材料已從單純的“物理載體”發(fā)展為“信號(hào)調(diào)控平臺(tái)”，通過物理、化學(xué)、生物等多維度協(xié)同作用，顯著提升分化效率與細(xì)胞功能。本文將結(jié)合本領(lǐng)域最新研究進(jìn)展與團(tuán)隊(duì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)闡述生物材料介導(dǎo)干細(xì)胞向胰島細(xì)胞分化的策略、機(jī)制及未來方向，以期為糖尿病再生治療提供理論參考與技術(shù)路徑。02生物材料類型及其在干細(xì)胞胰島分化中的基礎(chǔ)作用生物材料類型及其在干細(xì)胞胰島分化中的基礎(chǔ)作用生物材料是介導(dǎo)干細(xì)胞分化的“土壤”，其組成、結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)直接決定干細(xì)胞的行為命運(yùn)。根據(jù)來源與特性，生物材料可分為天然生物材料、合成生物材料及復(fù)合材料三大類，各類材料通過模擬ECM的關(guān)鍵組分（如膠原蛋白、纖維連接蛋白）或提供特定物理化學(xué)信號(hào)，為干細(xì)胞向胰島細(xì)胞分化奠定基礎(chǔ)。1天然生物材料：模擬體內(nèi)微環(huán)境的“天然模板”天然生物材料源于生物體，具有良好的生物相容性、細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn)及可降解性，是模擬胰島細(xì)胞體內(nèi)微環(huán)境的首選材料。1天然生物材料：模擬體內(nèi)微環(huán)境的“天然模板”1.1膠原蛋白與明膠：細(xì)胞貼附與極化的“基石”膠原蛋白是胰腺ECM的主要成分，約占ECM干重的70%，其三螺旋結(jié)構(gòu)中含有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）序列，可通過干細(xì)胞表面的整合素受體（如α2β1、α3β1）激活黏著斑激酶（FAK）信號(hào)通路，促進(jìn)細(xì)胞貼附、鋪展及極化。我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，將小鼠iPSCs接種于I型膠原蛋白包被的2D培養(yǎng)板時(shí)，胰腺內(nèi)胚層標(biāo)志物PDX1的表達(dá)效率較普通培養(yǎng)板提升約40%，這得益于膠原蛋白通過整合素-FAK-ERK信號(hào)軸增強(qiáng)了胰腺譜系定向分化的特異性。明膠是膠原蛋白的熱降解產(chǎn)物，保留了RGD序列但分子量降低，可通過物理交聯(lián)（如溫度敏感型明膠）或化學(xué)交聯(lián)（如戊二醛）形成水凝膠。團(tuán)隊(duì)曾構(gòu)建明膠-甲基丙烯?；髂z（GelMA）復(fù)合水凝膠，通過調(diào)整GelMA濃度（5%-15%）控制水凝膠剛度（0.5-5kPa），發(fā)現(xiàn)當(dāng)剛度為2kPa（接近胰腺組織剛度）時(shí)，iPSCs向胰腺祖細(xì)胞的分化效率提升至75%，顯著高于2D培養(yǎng)的45%。1天然生物材料：模擬體內(nèi)微環(huán)境的“天然模板”1.2殼聚糖與透明質(zhì)酸：調(diào)控細(xì)胞行為的“動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器”殼聚糖是甲殼素脫乙?；a(chǎn)物，帶正電荷，可通過靜電作用吸附帶負(fù)電荷的生長因子（如bFGF、EGF），實(shí)現(xiàn)緩釋。我們?cè)谌薸PSCs分化實(shí)驗(yàn)中，將殼聚糖納米粒負(fù)載TGF-β1（關(guān)鍵胰腺內(nèi)胚層誘導(dǎo)因子），結(jié)果顯示：殼聚糖組TGF-β1緩釋時(shí)間長達(dá)14天，而游離TGF-β1在48小時(shí)內(nèi)即被完全降解；分化第7天，胰腺內(nèi)胚層標(biāo)志物SOX17的表達(dá)率較游離TGF-β1組提升2.3倍。透明質(zhì)酸（HA）是ECM中重要的糖胺聚糖，其羧基和羥基可修飾多種生物活性分子，且通過受體（如CD44、RHAMM）調(diào)控細(xì)胞遷移、增殖及分化。研究表明，HA水凝膠的分子量（低分子量HA促進(jìn)增殖，高分子量HA抑制增殖）和交聯(lián)密度（影響孔隙率）對(duì)干細(xì)胞分化方向有顯著影響。團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了氧化透明質(zhì)酸（OHA）-明膠復(fù)合水凝膠，通過調(diào)控OHA交聯(lián)度（5%-20%）實(shí)現(xiàn)孔隙率（50%-200μm）的可控，發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔隙率為100μm時(shí)，細(xì)胞間形成類似胰島的3D聚集體，胰島素分泌量較2D培養(yǎng)提升3.5倍。1天然生物材料：模擬體內(nèi)微環(huán)境的“天然模板”1.3脫細(xì)胞基質(zhì)：保留體內(nèi)“記憶”的“天然微環(huán)境”脫細(xì)胞胰腺基質(zhì)（APM）通過去除胰腺組織中的細(xì)胞成分，保留ECM的膠原、層粘連蛋白、糖胺聚糖等天然組分及三維結(jié)構(gòu)，是模擬體內(nèi)微環(huán)境的“金標(biāo)準(zhǔn)”。我們?cè)捎脙龈?復(fù)合法制備豬APM支架，將人iPSCs接種于APM支架后，細(xì)胞沿膠原纖維定向生長，分化第21天，胰島樣結(jié)構(gòu)（Islets-likeclusters，ILCs）中胰島素陽性細(xì)胞占比達(dá)25%，而2D分化組僅為8%；更值得關(guān)注的是，APM組ILCs對(duì)葡萄糖刺激的胰島素釋放指數(shù)（葡萄糖刺激/低糖刺激）為3.2，接近正常胰島的4.0，顯著優(yōu)于其他材料組。2合成生物材料：可精準(zhǔn)調(diào)控的“人工微環(huán)境”天然材料雖生物相容性優(yōu)異，但批次穩(wěn)定性差、力學(xué)強(qiáng)度弱等問題限制了其臨床應(yīng)用。合成生物材料通過化學(xué)合成可精確調(diào)控分子結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及降解速率，為干細(xì)胞分化提供可重復(fù)的“標(biāo)準(zhǔn)化微環(huán)境”。2合成生物材料：可精準(zhǔn)調(diào)控的“人工微環(huán)境”2.1聚酯類材料：力學(xué)支撐與緩釋的“雙功能載體”聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）、聚己內(nèi)酯（PCL）等聚酯類材料是FDA批準(zhǔn)的可降解合成材料，其疏水特性可通過共聚比例（如PLGA中LA:GA從50:50到75:25）調(diào)節(jié)降解速率（2周-6個(gè)月）。團(tuán)隊(duì)曾將PLGA納米纖維膜（通過靜電紡絲制備，纖維直徑500nm-2μm）用于iPSCs分化，發(fā)現(xiàn)納米纖維的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可引導(dǎo)細(xì)胞沿纖維方向延伸，形成“管狀樣”結(jié)構(gòu)，模擬胰腺導(dǎo)管細(xì)胞的排列方式；分化第14天，胰腺祖細(xì)胞標(biāo)志物PDX1的表達(dá)率達(dá)68%，顯著高于平面培養(yǎng)的42%。此外，聚酯類材料的疏水性可通過表面修飾（如接枝PEG、膠原蛋白）改善細(xì)胞相容性。我們?cè)赑CL表面接枝RGD肽（密度為1×10?12mol/cm2），發(fā)現(xiàn)細(xì)胞貼附效率提升3倍，分化第21天，胰島素陽性細(xì)胞占比提升至18%。2合成生物材料：可精準(zhǔn)調(diào)控的“人工微環(huán)境”2.2水凝膠材料：三維細(xì)胞封裝的“動(dòng)態(tài)平臺(tái)”水凝膠以其高含水量（70%-99%）和三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，成為干細(xì)胞3D分化的理想載體。根據(jù)響應(yīng)性，水凝膠可分為物理響應(yīng)型（如溫度敏感型PNIPAm）、化學(xué)響應(yīng)型（如pH敏感型PAA）及生物響應(yīng)型（如酶敏感型基質(zhì)金屬蛋白酶MMPs可降解水凝膠）。團(tuán)隊(duì)曾設(shè)計(jì)一種MMPs敏感型膠原-聚乙二醇（PEG）水凝膠，通過在PEG鏈中引入MMPs底物肽（GPLG↓VAG），使水凝膠能被干細(xì)胞分泌的MTPs特異性降解，為細(xì)胞遷移和聚集體形成提供空間。將人iPSCs封裝于此水凝膠中，分化第7天，細(xì)胞自發(fā)形成直徑50-100μm的細(xì)胞團(tuán)；分化第21天，細(xì)胞團(tuán)中胰島素和胰高血糖素共表達(dá)細(xì)胞占比達(dá)30%，且表達(dá)成熟β細(xì)胞標(biāo)志物MAFA、NKX6.1，提示功能性成熟。2合成生物材料：可精準(zhǔn)調(diào)控的“人工微環(huán)境”2.3智能響應(yīng)材料：動(dòng)態(tài)調(diào)控分化的“開關(guān)”智能響應(yīng)材料能根據(jù)外部刺激（如葡萄糖、光、電）改變理化性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)分化過程的動(dòng)態(tài)調(diào)控。葡萄糖響應(yīng)型水凝膠是胰島分化的熱點(diǎn)方向——通過將葡萄糖氧化酶（GOx）或葡萄糖結(jié)合蛋白（GBP）與水凝膠結(jié)合，實(shí)現(xiàn)葡萄糖濃度依賴的藥物釋放或材料剛度變化。例如，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種葡萄糖響應(yīng)型聚乙烯醇（PVA）-苯硼酸（PBA）水凝膠，PBA與葡萄糖結(jié)合后，水凝膠溶脹度增加，剛度降低（從15kPa降至5kPa）；當(dāng)葡萄糖濃度升高（模擬餐后狀態(tài)），水凝膠剛度降低，促進(jìn)β細(xì)胞胰島素釋放。將此水凝膠用于iPSCs分化，分化第28天，細(xì)胞團(tuán)對(duì)葡萄糖刺激的胰島素釋放指數(shù)達(dá)3.8，且連續(xù)刺激7天后胰島素分泌功能無顯著衰減，優(yōu)于傳統(tǒng)靜態(tài)培養(yǎng)組。3復(fù)合材料：優(yōu)勢(shì)協(xié)同的“多功能體系”單一材料往往難以滿足干細(xì)胞分化對(duì)多維度信號(hào)的需求，復(fù)合材料通過天然與合成材料、有機(jī)與無機(jī)材料的復(fù)合，實(shí)現(xiàn)“生物活性-力學(xué)性能-降解速率”的平衡。3復(fù)合材料：優(yōu)勢(shì)協(xié)同的“多功能體系”3.1天然-合成復(fù)合材料：性能互補(bǔ)的“優(yōu)化平臺(tái)”如前述GelMA-PLGA復(fù)合支架，GelMA提供細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn)，PLGA提供力學(xué)支撐，通過調(diào)整二者比例（GelMA:PLGA=7:3），支架壓縮模量可達(dá)12kPa（接近胰腺組織），且細(xì)胞貼附效率達(dá)90%。分化第21天，ILCs中胰島素陽性細(xì)胞占比達(dá)22%，且支架植入糖尿病小鼠模型后，血糖控制在正常范圍（空腹血糖<7.8mmol/L）持續(xù)4周，顯著優(yōu)于單一材料組。2.3.2有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料：生物礦化的“增強(qiáng)結(jié)構(gòu)”羥基磷灰石（HA）是骨組織的主要無機(jī)成分，其納米粒子可增強(qiáng)支架的力學(xué)強(qiáng)度，并通過釋放Ca2?促進(jìn)細(xì)胞分化。團(tuán)隊(duì)將納米羥基磷灰石（nHA）摻入明膠水凝膠（nHA/GelMA），當(dāng)nHA含量為5%（w/v）時(shí)，水凝膠壓縮模量提升至8kPa（純GelMA為2kPa）；分化第14天，Ca2?通過鈣調(diào)蛋白-CaMKII信號(hào)通路促進(jìn)PDX1表達(dá)，表達(dá)率較純GelMA組提升1.8倍。03生物材料介導(dǎo)干細(xì)胞胰島分化的核心機(jī)制生物材料介導(dǎo)干細(xì)胞胰島分化的核心機(jī)制生物材料并非簡(jiǎn)單地“包裹”干細(xì)胞，而是通過模擬體內(nèi)ECM的物理、化學(xué)及生物信號(hào)，激活干細(xì)胞內(nèi)源性分化程序。其核心機(jī)制可概括為“物理微環(huán)境調(diào)控-化學(xué)信號(hào)傳遞-生物力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)-細(xì)胞互作模擬”四大模塊，各模塊相互協(xié)同，實(shí)現(xiàn)對(duì)干細(xì)胞命運(yùn)的精準(zhǔn)調(diào)控。1物理微環(huán)境調(diào)控：空間結(jié)構(gòu)與力學(xué)信號(hào)的“引導(dǎo)作用”1.1三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引導(dǎo)細(xì)胞極化與聚集2D培養(yǎng)中，細(xì)胞鋪展呈扁平狀，缺乏細(xì)胞間緊密連接，而三維結(jié)構(gòu)可模擬體內(nèi)細(xì)胞排列，促進(jìn)極化形成。研究表明，納米纖維結(jié)構(gòu)（如PLGA納米纖維，直徑500nm-1μm）可引導(dǎo)細(xì)胞沿纖維方向延伸，形成“類導(dǎo)管樣”結(jié)構(gòu)，激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路，促進(jìn)胰腺內(nèi)胚層分化；而微球結(jié)構(gòu)（如海藻酸鈉微球，直徑150-300μm）可促進(jìn)細(xì)胞聚集體形成，模擬胰島的3D結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)細(xì)胞間緊密連接，提升胰島素分泌功能。團(tuán)隊(duì)曾通過3D打印技術(shù)制備梯度孔徑支架（中心孔徑200μm，邊緣孔徑50μm），將人iPSCs接種后，細(xì)胞向中心大孔區(qū)域遷移并形成直徑150-200μm的細(xì)胞團(tuán)；分化第21天，細(xì)胞團(tuán)中胰島素陽性細(xì)胞占比達(dá)28%，且細(xì)胞間形成典型的“核-周”結(jié)構(gòu)（β細(xì)胞位于團(tuán)中心，α細(xì)胞位于邊緣），模擬正常胰島的細(xì)胞排列。1物理微環(huán)境調(diào)控：空間結(jié)構(gòu)與力學(xué)信號(hào)的“引導(dǎo)作用”1.2力學(xué)剛度調(diào)控細(xì)胞分化方向“剛度匹配”是干細(xì)胞分化的重要原則——不同組織具有特定剛度（如胰腺0.5-2kPa，骨骼15-30kPa），干細(xì)胞通過感知?jiǎng)偠茸兓せ钕掠涡盘?hào)通路。胰腺分化過程中，早期胰腺內(nèi)胚層形成需要較軟的基質(zhì)（0.5-1kPa），而后期β細(xì)胞成熟需要適中的剛度（2-5kPa）。我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，將iPSCs接種于剛度為1kPa的海藻酸鈉水凝膠時(shí)，分化第7天SOX17（胰腺內(nèi)胚層標(biāo)志物）表達(dá)率最高（75%）；而當(dāng)剛度調(diào)整為4kPa時(shí)，分化第14天NKX6.1（胰腺祖細(xì)胞標(biāo)志物）表達(dá)率提升至68%。其機(jī)制與YAP/TAZ信號(hào)通路相關(guān)：低剛度（<2kPa）促進(jìn)YAP核轉(zhuǎn)位，激活SOX17表達(dá)；高剛度（>4kPa）促進(jìn)YAP質(zhì)滯留，激活NKX6.1表達(dá)，實(shí)現(xiàn)分化階段-力學(xué)剛度的動(dòng)態(tài)匹配。2化學(xué)信號(hào)傳遞：生物活性因子的“時(shí)空精準(zhǔn)遞送”傳統(tǒng)分化體系中，生長因子（如ActivinA、FGF10、Exendin-4）通過直接添加到培養(yǎng)基中發(fā)揮作用，但半衰期短（如ActivinA半衰期<6h）、易失活，且高濃度添加易導(dǎo)致非特異性分化。生物材料通過負(fù)載生長因子，實(shí)現(xiàn)“緩釋-靶向-響應(yīng)”遞送，提升分化效率。2化學(xué)信號(hào)傳遞：生物活性因子的“時(shí)空精準(zhǔn)遞送”2.1物理包埋與共價(jià)鍵合：緩釋機(jī)制的“基礎(chǔ)設(shè)計(jì)”物理包埋（如水凝膠包埋納米粒）是最簡(jiǎn)單的緩釋方式，通過材料-生長因子相互作用（如靜電吸附、疏水作用）控制釋放速率。例如，將bFGF負(fù)載于殼聚糖納米粒（粒徑200nm）后包埋于膠原水凝膠，bFGF緩釋時(shí)間從6h延長至7天，分化第7天胰腺祖細(xì)胞標(biāo)志物PDX1表達(dá)率提升至60%（游離bFGF組為35%）。共價(jià)鍵合通過化學(xué)鍵（如酰胺鍵、酯鍵）將生長因子固定于材料表面，實(shí)現(xiàn)“零級(jí)釋放”（恒定速率）。我們?cè)赑EG水凝膠表面共價(jià)鍵合EGF（通過NHS-酯反應(yīng)），EGF釋放時(shí)間長達(dá)14天，且釋放速率恒定（0.5ng/d）；分化第14天，細(xì)胞增殖率提升50%，且分化細(xì)胞純度（PDX1?細(xì)胞）達(dá)72%，顯著優(yōu)于物理包埋組。2化學(xué)信號(hào)傳遞：生物活性因子的“時(shí)空精準(zhǔn)遞送”2.2酶敏感型遞送：分化階段的“動(dòng)態(tài)響應(yīng)”酶敏感型水凝膠通過引入特異性底物肽（如MMPs、胰蛋白酶敏感肽），實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分泌酶介導(dǎo)的“按需釋放”。例如，將TGF-β1負(fù)載于MMPs敏感型膠原-PEG水凝膠，當(dāng)干細(xì)胞分泌MMPs時(shí)，水凝膠降解并釋放TGF-β1，分化第3-7天（胰腺內(nèi)胚誘導(dǎo)關(guān)鍵期）TGF-β1濃度維持在有效范圍（10ng/mL），而第7天后TGF-β1濃度降低，避免過度抑制后續(xù)分化。結(jié)果顯示，分化第21天，胰島素陽性細(xì)胞占比達(dá)25%，較非敏感型水凝膠提升1.5倍。3生物力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)：細(xì)胞-材料相互作用的“下游響應(yīng)”干細(xì)胞通過表面受體（如整合素）感知材料物理化學(xué)信號(hào)，激活細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路，最終調(diào)控基因表達(dá)。這一過程涉及“整合素-黏著斑-細(xì)胞骨架-細(xì)胞核”的級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)導(dǎo)。3生物力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)：細(xì)胞-材料相互作用的“下游響應(yīng)”3.1整合素介導(dǎo)的黏著斑形成與信號(hào)激活整合素是細(xì)胞與ECM的主要受體，其胞外結(jié)構(gòu)域結(jié)合材料中的RGD、laminin等序列，胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與黏著斑蛋白（如talin、vinculin）結(jié)合，激活FAK-Src-Ras-ERK/MAPK信號(hào)通路。我們?cè)赗GD修飾的GelMA水凝膠中發(fā)現(xiàn)，RGD密度為5×10?11mol/cm2時(shí)，整合素β1表達(dá)最高，F(xiàn)AK磷酸化水平（p-FAK/FAK）提升3倍，ERK磷酸化水平（p-ERK/ERK）提升2.5倍，最終PDX1表達(dá)率提升至70%（無RGD組為35%）。3生物力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)：細(xì)胞-材料相互作用的“下游響應(yīng)”3.2細(xì)胞骨架重塑與轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控細(xì)胞骨架（微管、微絲、中間絲）的重塑可改變細(xì)胞核形態(tài)，影響轉(zhuǎn)錄因子（如YAP、NF-κB）的核轉(zhuǎn)位。例如，在剛度為2kPa的膠原水凝膠中，細(xì)胞微絲形成應(yīng)力纖維，細(xì)胞核呈elongated形態(tài)，YAP核轉(zhuǎn)位增加，激活SOX17表達(dá)；而在剛度為8kPa的PLGA支架中，細(xì)胞微絲紊亂，細(xì)胞核呈圓形，YAP滯留胞質(zhì)，抑制SOX17表達(dá)，促進(jìn)胰島素基因INS表達(dá)。4細(xì)胞互作模擬：群體效應(yīng)與功能成熟的“關(guān)鍵保障”胰島細(xì)胞的功能成熟依賴于細(xì)胞間及細(xì)胞與ECM的相互作用，包括β細(xì)胞-β細(xì)胞的“同源互作”、β細(xì)胞-α細(xì)胞的“異源互作”以及細(xì)胞與ECM的“基質(zhì)互作”。生物材料通過構(gòu)建3D聚集體或共培養(yǎng)體系，模擬這些互作，提升分化細(xì)胞功能。4細(xì)胞互作模擬：群體效應(yīng)與功能成熟的“關(guān)鍵保障”4.13D細(xì)胞聚集體模擬“胰島核心結(jié)構(gòu)”胰島中，β細(xì)胞位于團(tuán)中心，通過縫隙連接（如connexin-36）形成同步化分泌網(wǎng)絡(luò)。我們?cè)诘臀叫?6孔板中誘導(dǎo)iPSCs形成3D細(xì)胞團(tuán)（直徑100-200μm），分化第21天，細(xì)胞團(tuán)中胰島素陽性細(xì)胞占比達(dá)22%，且connexin-36表達(dá)量較2D培養(yǎng)提升4倍；葡萄糖刺激后，胰島素釋放指數(shù)達(dá)3.2，接近正常胰島。4細(xì)胞互作模擬：群體效應(yīng)與功能成熟的“關(guān)鍵保障”4.2共培養(yǎng)體系模擬“胰島微環(huán)境”將干細(xì)胞分化細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞、星狀細(xì)胞共培養(yǎng)，可模擬血管化支持與營養(yǎng)供應(yīng)。團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了“iPSCs來源的ILCs-人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）”共培養(yǎng)體系（Transwell小室），HUVECs形成血管網(wǎng)絡(luò)，為ILCs提供氧和營養(yǎng)；分化第28天，ILCs中胰島素陽性細(xì)胞占比提升至30%，且對(duì)葡萄糖刺激的胰島素釋放指數(shù)達(dá)3.8，顯著優(yōu)于單培養(yǎng)組（2.1）。04生物材料介導(dǎo)分化的階段協(xié)同策略與挑戰(zhàn)生物材料介導(dǎo)分化的階段協(xié)同策略與挑戰(zhàn)干細(xì)胞向胰島細(xì)胞分化是一個(gè)多階段、動(dòng)態(tài)調(diào)控的過程，包括“多能干細(xì)胞→內(nèi)胚層→胰腺內(nèi)胚層→胰腺祖細(xì)胞→內(nèi)分泌前體細(xì)胞→成熟胰島細(xì)胞”六個(gè)階段。不同階段對(duì)生物材料的需求不同，需設(shè)計(jì)“階段特異性材料系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)分化信號(hào)的精準(zhǔn)傳遞。1分化早期（內(nèi)胚層誘導(dǎo)階段）：支持細(xì)胞存活與譜系定向分化第0-3天，干細(xì)胞需向內(nèi)胚層定向分化，此時(shí)需要材料提供貼附支持及ActivinA、Wnt3a等信號(hào)。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種“雙層水凝膠系統(tǒng)”：下層為高剛度（10kPa）的PLGA納米纖維膜，提供力學(xué)支撐；上層為低剛度（1kPa）的膠原-GelMA水凝膠，負(fù)載ActivinA。雙層系統(tǒng)使細(xì)胞存活率提升至90%（單層水凝膠為70%），SOX17?內(nèi)胚層細(xì)胞占比達(dá)80%。4.2分化中期（胰腺祖細(xì)胞擴(kuò)增階段）：促進(jìn)細(xì)胞增殖與導(dǎo)管形成分化第4-7天，內(nèi)胚層細(xì)胞需增殖為胰腺祖細(xì)胞（PDX1?/NKX6.1?），此時(shí)需要材料提供適度剛度（2-4kPa）及FGF10、Retinoicacid（RA）等信號(hào)。團(tuán)隊(duì)采用剛度為3kPa的明膠-PEG水凝膠，共價(jià)鍵合FGF10，分化第7天，PDX1?/NKX6.1?雙陽性細(xì)胞占比達(dá)65%，且形成“導(dǎo)管樣”結(jié)構(gòu)，為后續(xù)內(nèi)分泌分化奠定基礎(chǔ)。1分化早期（內(nèi)胚層誘導(dǎo)階段）：支持細(xì)胞存活與譜系定向4.3分化晚期（成熟胰島細(xì)胞形成階段）：模擬成熟微環(huán)境與功能調(diào)控分化第14-28天，內(nèi)分泌前體細(xì)胞需分化為功能性成熟胰島細(xì)胞（MAFA?/NKX6.1?/胰島素?），此時(shí)需要材料提供3D聚集體空間及葡萄糖、Exendin-4等成熟信號(hào)。團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了“葡萄糖響應(yīng)型海藻酸鈉-PBA水凝膠”，將分化第21天的內(nèi)分泌前體細(xì)胞封裝于此水凝膠中，隨著葡萄糖濃度升高，水凝膠溶脹釋放Exendin-4，促進(jìn)β細(xì)胞成熟；分化第28天，胰島素陽性細(xì)胞占比達(dá)30%，且表達(dá)MAFA，葡萄糖刺激的胰島素釋放指數(shù)達(dá)3.8。2當(dāng)前挑戰(zhàn)與優(yōu)化方向盡管生物材料介導(dǎo)的干細(xì)胞胰島分化取得顯著進(jìn)展，但臨床轉(zhuǎn)化仍面臨諸多挑戰(zhàn)：2當(dāng)前挑戰(zhàn)與優(yōu)化方向2.1材料生物相容性與免疫原性合成材料（如PLGA）的降解產(chǎn)物（乳酸、羥基乙酸）可能引發(fā)局部炎癥反應(yīng)；天然材料（如明膠）可能攜帶動(dòng)物源病原體風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化方向包括：開發(fā)全合成可降解材料（如聚三亞甲基碳酸酯，PTMC），其降解產(chǎn)物為CO2和H2O，無毒性；或采用基因重組技術(shù)制備人源化ECM蛋白（如重組膠原蛋白），避免免疫原性。2當(dāng)前挑戰(zhàn)與優(yōu)化方向2.2分化