近日，我院黎锦明研究员在基于上转换纳米材料近红外光调控间充质干细胞成骨分化治疗骨质疏松的研究中取得重要研究进展。相关研究以“Near-Infrared Light-Controlled and Real-Time Detection of Osteogenic Differentiation in Mesenchymal Stem Cells by Upconversion Nanoparticles for Osteoporosis Therapy”为题发表在《ACS Nano》上。

干细胞如间充质干细胞（MSC）具有多向分化潜能，可以在一定条件下可以特异性分化为成骨细胞、软骨细胞、神经细胞、心机细胞等多种类型细胞，治疗骨质疏松、骨关节炎、阿尔兹海默病及心肌梗塞等多种疾病。目前临床上使用MSC治疗疾病的关键问题是如何有效的体内控制诱导其定向分化为某一类型的细胞，从而可以针对性的治疗某一种疾病，例如分化为成骨细胞治疗骨质疏松。

基于上述问题，研究团队设计构建了一种基于上转换纳米颗粒（UCNP）的多功能药物载体，通过调控近红外光光照时间和功率，可以远程体内外调控药物小分子Icarri的释放，从而实现光控诱导MSC成骨分化治疗骨质疏松；同时UCNP还可以通过自身的优异荧光特性，结合FRET效应和酶切反应，对成骨分化高表达的金属蛋白酶13（MMP13）进行实时荧光检测，实现骨质疏松治疗效果的验证和评估。研究团队首先合成了Tm/Er共掺杂的核壳型上转换纳米颗粒（UCNP），随后在UCNP表面进行硅层包裹以提高生物相容性并便于后续表面修饰，修饰得到的UCNP@SiO₂通过ONA光响应小分子连接药物释放门控β-CD，及通过NHS-PEG-MAL连接MMP13敏感多肽-BHQ荧光猝灭基团。研究表明，在近红外光的照射下，UCNP纳米载体可以有效释放药物Icarrin，药物释放效率和近红外光功率大小及照射时间成正比。同时，该多功能UCNP还可以作为荧光探针，对MMP13酶进行荧光检测，UCNP的荧光恢复（550/650 nm）随着酶浓度的提高和孵育时间的增加逐渐增强。最后，得益于NIR的高穿透性，多功能UCNP实现了体内“光控细胞成骨分化”，对骨质疏松大鼠进行了较好的治疗；同时也实现了体内MMP13酶的实时荧光检测，为骨质疏松治疗效果提供了依据。

2019级硕士研究生闫瑞为论文第一作者，黎锦明研究员与中山大学肿瘤防治中心杨安力博士为共同通讯作者，华南师范大学生物光子学研究院为第一完成单位，本研究由国家自然科学基金面上项目支持。