胚胎干细胞向神经细胞的诱导分化在神经退行性疾病的治疗中具有良好的应用前景,如何高效的诱导干细胞向神经细胞定向分化是当前亟需解决的关键问题。糖胺聚糖(GAG)相关信号通路和视黄酸(RA)相关信号通路作为干细胞神经分化过程中最为关键的两种信号通路,在基础研究和实际应用中都受到了广泛的关注。然而,信号分子利用度低是上述两类策略中存在的共性问题。基于此,本论文旨在开发一种新型的细胞分化诱导平台,既能利用糖胺聚糖类似物作用于GAG相关信号通路以促进神经分化,同时提高RA的细胞利用率进一步促进神经细胞的分化和成熟,通过以上两种方式协同作用于神经分化信号通路,达到提高干细胞神经分化效率和纯度的目的。具体研究内容如下:(1)以金纳米粒子(GNP)为载体,研究糖胺聚糖类似物和RA光热传输的协同作用对小鼠胚胎干细胞神经分化的影响。首先通过可逆加成-断裂链转移自由基聚合(RAFT)的方法合成分别含有糖胺聚糖功能性单元(糖单元和磺酸单元)的聚合物聚N-甲基丙烯酰葡萄糖(PMAG)和聚对苯乙烯磺酸钠(PSS),并通过胺解法得到巯基化的聚合物。随后通过不同的比例将上述两种聚合物组装到金纳米粒子表面,得到糖胺聚糖类似物改性的纳米粒子复合物。该复合物利用GNP与细胞膜之间的相互作用将功能单元富集到细胞膜表面,提高功能单元激活GAG相关信号通路的效率,达到促进神经分化的效果。同时,利用GNP自身的光热转换效应,在一定的激光照射条件下将RA传输到细胞内,提高其与细胞核上相应受体结合的几率从而进一步提高分化效率,以此来提高干细胞神经分化的效率和纯度。免疫荧光染色和实时定量聚合酶链式反应(qPCR)实验结果表明:当两种聚合物按投料比为1:1进行组装时,获得的纳米粒子复合物即GNP-M1S1具有最佳的促分化效果。更为重要的是,在0.80 W/cm2激光功率照射10s条件下,GNP-M1S1实验组分化细胞β3-tubulin基因的表达量增加320倍左右,分化细胞中神经细胞百分比提高到87%左右。该结果表明,金纳米粒子表面糖胺聚糖功能单元的修饰以及光热效应的协同不仅能够显著提高胚胎干细胞向神经细胞的分化效率,而且对分化神经细胞的纯度也有显著提升。(2)基于静电纺丝支架材料研究糖胺聚糖类似物及光热金纳米材料对胚胎干细胞神经分化的影响。首先通过同轴静电纺丝技术制备负载糖胺聚糖类似物和金纳米棒(GNR)的核壳结构支架材料,纤维内核为含糖单元和磺酸单元的聚合物PMAG和PSS,纤维外壳为包载GNR的聚己内酯(PCL)壳层。支架材料的高孔隙率为细胞提供良好的生长微环境,纤维结构中负载的聚合物释放后作用于细胞,激活GAG相关信号通路以促进干细胞分化;同时,利用纤维壳层中GNR的光热效应将RA因子输送到细胞内部,与细胞核上的受体结合,进一步促进干细胞的神经分化。实验结果表明:纺丝结构中糖胺聚糖类似物和金纳米棒的引入均具有促神经分化的作用;同时,GNR光热效应的协同显著增强了 PCL@GNR和PCL&P@GNR支架材料的促神经分化效果,尤其是PCL&P@GNR支架材料,在0.66 W/cm2激光功率照射30 s的条件下,促神经分化效果达到最佳,神经细胞标志性基因β3-tubulin的相对表达量提高250倍左右。该结果表明,这种新型的复合支架材料在金纳米棒光热效应的协同下具有优异的促神经分化效果。综上所述,本论文基于糖胺聚糖类似物和神经诱导分子RA在胚胎干细胞神经分化中的重要作用,分别以金纳米粒子和静电纺丝材料作为载体,既利用糖胺聚糖类似物作用于GAG相关信号通路,同时又通过光热效应提高RA向细胞内的传输,通过上述两种策略的协同提高干细胞神经分化的效率和纯度。本论文的工作为构建胚胎干细胞神经分化诱导平台提供了新的思路和方向,不仅对神经退行性疾病的细胞治疗具有重要的理论研究意义和实际应用价值,同时也为其他类型细胞的定向诱导分化提供了指导。