肿瘤干细胞（CSCs）对化疗和放疗具有固有的耐药性，是肿瘤复发和转移的关键驱动因素。传统的体外CSC富集模型依赖于肿瘤分离和球体形成，通常耗时且效率低下。同时，CSC的分离和表征也面临着挑战。

近日，北京化工大学陈旭教授和杨昭副教授团队在期刊《Nano Today》上，发表了最新研究成果“Self-assembled peptide nanofibrous hydrogel based multifunctional platform for rapid reprogramming and in situ monitoring of tumor cells into cancer stem cells”。本研究构建了一种基于N-芴基甲氧羰基二苯丙氨酸（Fmoc-FF）自组装肽纳米纤维水凝胶的多功能平台，可作为高效富集CSCs并实现原位电化学监测的功能性三维（3D）细胞外基质。流式细胞术分析表明，在生理相关的温和硬度条件下（~10 kPa），该Fmoc-FF水凝胶能够于乳腺、宫颈及肺来源的TCs中强烈诱导CSC样表型的形成。同时，在Fmoc-FF水凝胶中进行3D培养的TCs，在5天的诱导周期内细胞增殖提升了两个数量级。此外，基于该水凝胶构建的电化学传感器可在肿瘤细胞重编程过程中，对干细胞相关生物标志物——醛脱氢酶1（ALDH1）的动态变化进行原位、非破坏性监测。该方法无需分离细胞，能够保留关键的生物学信息，为CSC干性评估提供了有力工具。总体而言，本研究首次证实了自组装肽水凝胶集成平台兼具高效的干细胞诱导能力与实时的原位监测功能，为提升体外CSC重编程的效率与产量提供了一种具有潜力的新策略。

图1：基于自组装肽纳米纤维水凝胶的多功能平台快速、可靠地诱导TCs到CSCs的高效重编程，并原位、无损地电化学监测干性生物标志物变化的示意图。

图1A展示了Fmoc-FF单体自组装形成肽纳米纤维水凝胶的示意图。扫描电子显微镜（SEM，图1B）与透射电子显微镜（TEM，图1C）图像显示，Fmoc-FF自组装形成的纳米纤维相互交织，构建出具有多孔3D网络结构的水凝胶，其纤维直径约为30–100 nm，孔径分布在50–200 nm范围内。该尺寸范围符合典型细胞外基质（ECM）的纤维特征（~5–300 nm），表明Fmoc-FF水凝胶适合用作细胞培养支架。图1D的谱学结果进一步证实了自组装体系中β-折叠构象的形成。流变学测试结果（图1E）显示，在整个测试频率范围内，储能模量（G′）均显著高于损耗模量（G″），说明该水凝胶形成了稳定的类固体凝胶网络。Fmoc-FF水凝胶的机械强度约为10.08 kPa，与乳腺、宫颈及肺来源肿瘤组织天然ECM的刚度相当。Zeta电位分析（图1F）表明其表面带负电荷。综上，这些结果充分证明了Fmoc-FF水凝胶具备作为仿生细胞支架的良好潜力。

图2：Fmoc-FF水凝胶的表征。

球体形成能力被广泛视作TCs重编程为CSCs的关键表型标志。与2D培养皿中呈现的扁平形态不同（图2A–C），SEM图像显示，在Fmoc-FF水凝胶中进行3D培养的乳腺、宫颈和肺来源的TCs均保持近似球形的结构，直径约为10–20 μm。培养5天后，球体直径显著增大至约30–60 μm，且可观察到致密的纳米纤维与每个CSC球体紧密结合（图2D–F）。进一步地，将细胞从水凝胶中分离后，荧光显微镜的明场图像（图2G–I）证实，经Fmoc-FF水凝胶诱导5天后，三种来源的TCs均形成了典型的球状聚集体。上述形态学结果一致表明，TCs在Fmoc-FF水凝胶中成功实现了向CSC球体的转化。为从分子层面验证该表型转换，我们采用实时荧光定量PCR技术，检测了在Fmoc-FF水凝胶中诱导5天的乳腺、宫颈和肺CSCs中关键干性基因（SOX-2、OCT-4、Nanog和ALDH1）的表达水平。结果显示，与对照组相比，MCF-7、HeLa和A549细胞中干性标志基因的转录水平均显著上调（图2J–L），进一步在基因表达层次确认了CSC特性的获得。

图3：Fmoc-FF水凝胶诱导乳腺、宫颈和肺TCs的强劲重编程。

通过流式细胞术对CSC表型特征进行了系统分析。结果显示，在乳腺、宫颈和肺来源的TCs中，经5天诱导后，CD44与CD133表面标志物的表达均较对照组显著上调。具体而言，在乳腺CSCs中，CD44+细胞比例由4.85%提高至96.75%，CD133+细胞比例由2.55%上升至64.75%。CD44+/CD133+双阳性细胞比例从1.04%大幅提升至63.98%，代表双阳性乳腺CSC比例增加了约6000%（图4A, B）。类似的上调趋势也在宫颈与肺CSCs中得以验证（图4C–F）。上述表型分析表明，Fmoc-FF水凝胶能够有效上调多种TCs中与干性相关的表面标志物表达，证实其具有良好的CSC诱导能力。此外，进一步研究了细胞3D培养于Fmoc-FF水凝胶中的增殖行为。如图4G–I所示，在5天培养周期内，三维培养的MCF-7、HeLa和A549细胞数量从约104增长至约106，增幅约2300%，接近两个数量级；而在传统2D培养体系中，相同细胞系的增殖幅度仅约为300%。这些数据表明，Fmoc-FF水凝胶可显著促进TCs的增殖，其高效的重编程能力结合显著的增殖促进效应，为大规模获得CSCs提供了可行策略，有效克服了CSCs产量不足的限制。

图5：Fmoc-FF水凝胶诱导的表型重编程。

该传感器被用于监测重编程过程中CSCs释放的ALDH1。将MCF-7细胞3D包封于Fmoc-FF水凝胶/Au NPs/CF支架中进行3D培养诱导，并分别于重编程过程的第0、1、3、5天进行原位电化学动态监测。随着诱导时间延长，对应ALDH1信号的DPV峰值电流逐步升高（图5A和5B），表明MCF-7细胞在重编程不同阶段的ALDH1活性增强。该电化学数据从酶活性动态变化的角度证实，Fmoc-FF水凝胶可有效诱导TCs重编程为CSCs。

图6：利用Fmoc-FF水凝胶/Au NPs/CF电化学传感平台监测乳腺CSC干性增加。

构建了一种集快速高效TCs重编程与原位细胞监测功能于一体的自组装肽水凝胶平台，为建立新型体外CSCs诱导与表征模型提供了全新思路。该平台能够高效、大量地获得CSCs，为一系列应用导向研究奠定了坚实基础，包括高通量药物筛选、重编程机制解析以及新型疾病标志物发掘等。进一步地，结合转化医学研究，所获得的CSCs还可用于评估CSCs靶向治疗策略、探索联合用药方案，从而为发展个体化治疗手段提供重要实验依据与技术支持。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013225002932?via%3Dihub

人物简介：

陈旭，北京化工大学化学系教授，博士生导师。长期一直致力于功能纳米材料的设计合成及其在电化学生物传感领域中的应用研究。近年来在细胞3D培养和原位电化学监测方面取得了一系列创新成果。作为负责人主持及完成国家自然科学基金项目4项，作为骨干参与863计划、973项目等其他重大课题的研究。已在Chem, Anal. Chem., Chem. Eng. J., Biosens. Bioelectron., Nano Today等国际权威期刊上发表SCI论文80余篇，SCI 他引2500余次。申请国家发明专利10余项，已获授权8件。

杨昭，博士，北京化工大党委教师工作部副部长，生命科学与技术学院副教授，研究方向为肿瘤精准诊疗，揭示了膀胱癌干细胞和肾癌干细胞的起源、鉴定了膀胱癌干细胞全新标志物KMT1A、阐明了KMT1A-GATA3-STAT3和cTFRC-miR107-TFRC促进膀胱癌干细胞干性维持的分子机制，开发了一系列具有抗肿瘤活性的天然产物和生物分子，相关研究成果发表在Cell Res., Cancer Res., Clin. Cancer Res., Mol. Cancer, Eur. Urol., J. Exp. Med., EBioMedicine, Chem. Eng. J.,和Nano Today等国际权威学术期刊，共计发表论文90余篇，引用1000余次；申请中国发明专利23项，授权12项；主持和参与17项科技部、国自然基金委等国家与地方政府基金项目；出版/参编8本专业论著；入选2021年新疆维吾尔自治区科协青年人才托举工程、2023年中央和国家机关、中央企业援疆干部人才优秀团队；荣获2024年国际环境科学家奖、2020年深圳市科技进步奖一等奖和2021年生物工程学报优秀论文奖。