基底力学性质对大鼠骨髓间充质干细胞行为的协同影响

• 作 者: 李展
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 骨髓间充质干细胞 力学性质 生物组织 拓扑结构

每一种生物组织都有其特定的三维微结构，干细胞壁龛(niche)是存在于器官或组织中的可以维持干细胞的自我更新及避免分化的微环境包括壁龛细胞、细胞外基质和来源于壁龛细胞的可溶性微因子等。干细胞特征的维持与干细胞所处的壁龛微环境有密切关系，可通过与干细胞之间的直接和（或）间接作用，发挥多重生物学功效。现今，干细胞壁龛被扩充为特定组织位点的细胞周围外基质及其支持细胞的整体生化和力学环境。而壁龛内的生物力学或生物物理微环境对干细胞的调控起到非常重要的作用，如基底硬度可诱导干细胞的多向分化，基底微拓扑结构可调控细胞的生长、铺展和分化等行为。此外，拓扑基底的特征尺寸也是干细胞自我更新或分化的关键诱导因素。然而，尽管已有很多研究围绕基底硬度或拓扑结构对干细胞分化的调控进行，但至今仍很少有研究基底硬度、拓扑结构形状和拓扑结构的特征尺寸中二者或三者对干细胞自我更新和多向分化的共同调控作用。　　
本文参考骨髓间充质干细胞体内生存环境的硬度及基底微结构，采用生物相容性好的聚丙烯酰胺水凝胶利用软接触式光刻技术制作正方形柱状和沟槽两种形状，以及柱宽/嵴:间隔为5/15，10/10和15/5μm，深度为5μm的硬度可调拓扑水凝胶基底。平面PA水凝胶基底作为对照，研究细胞的增殖和分化等行为，通过调节丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺和水的不同配比得到所需基质的硬度。借助细胞计数及激光共聚焦等关键技术比较基底硬度、拓扑结构形状及特征尺寸三因素对骨髓间充质干细胞生物学行为的影响，主要通过N-way Anova F检验，定量计算基底三因素间的统计学差异，确定影响干细胞生物学行为的重要影响因素。　　
通过使用典型的参数组合，得出了三因素在不同的细胞响应的不同调控功能:1）细胞增殖主要是基底硬度或拓扑结构的特征尺寸单一因素的影响占主导地位;2）拓扑结构形状或基底硬度因素影响细胞形态;3）基底硬度诱导骨髓间充质干细胞分化;4）单一因素对骨架重组似乎无明显作用;5）因素耦合的作用主要体现在拓扑形状⊕特征尺寸对微丝和中间纤维的调控。据所知，本文工作首次综合研究硬度、拓扑形状和特征尺寸三种基底力学因素对骨髓间充质干细胞生物学功能影响权重进行明确分析，确定何种力学因素影响骨髓间充质干细胞的何种功能，以此为基础深入研究体内干细胞壁龛及体外复制其结构和功能并应用于组织功能和再生医学提供结构和原理基础。