仿生细胞外基质微环境的构建及对细胞行为的调控和应用

发布时间：2020-06-16 07:36

【摘要】：细胞处于一个复杂动态变化的微环境中。微环境包括细胞外基质、化学生长因子、激素和其他类型细胞的影响等,对细胞的行为和生理功能有着非常重要的影响。在体外为模拟细胞天然的微环境,不同物理、化学性质的生物材料可用于构建丰富多样的细胞外基质微环境。理解和认识生物材料-细胞界面相互作用以及优化和设计生物材料的结构和性质,将对构建细胞外基质微环境以及生物医学研究(或疾病)模型具有重要的指导意义。本文针对目前医学领域广泛关注的不同疾病模型,选取不同细胞或组织作为研究对象,研究了多种基于生物材料的仿生细胞外基质微环境,其中包括梯度交联水凝胶微环境、仿生心肌微环境、纳米纤维复合生物因子微环境,目的是揭示生物材料仿生细胞外微环境与细胞行为的相互作用,为生物材料的设计和制备奠定理论和实验基础,开发其在生物医学中的应用。本文的具体研究内容如下:(1)基于梯度交联水凝胶构建了适于多种细胞生长的三维(3D)培养微环境。在96孔板内通过凝血酶激活谷氨酰胺转胺酶(FXIIIa)来控制聚乙二醇(PEG)水凝胶的交联,通过改变水凝胶表面的pH来影响交联程度,从而制备了高通量的具有交联梯度的水凝胶;实现了多种细胞在三维空间里的生长和延伸,包括骨髓间充质干细胞,成纤维细胞,神经元细胞;构建了与临床疾病研究相关的表皮样囊肿模型,胰腺肿瘤模型,神经元模型,血管生成模型和时序性接种细胞模型等,证明了梯度交联水凝胶在细胞3D培养应用的可行性,为下一步相关疾病模型的深入研究奠定了基础。(2)基于琼脂糖水凝胶和PDMS构建了适于心肌组织生长的细胞外基质微环境,设计并构建了心肌芯片装置。首先使用模板印刷技术制备了生物相容性和导电性良好的3D铂(Pt)电极,以此为基础,成功制备了基于琼脂糖水凝胶和PDMS为基底材料的心肌芯片装置。利用此芯片,实现了3D心肌组织的体外培养,并利用Pt电极监测到心肌组织一系列的电生理参数,包括心肌的收缩舒张,搏动速率和动作电位等;利用该装置研究了外加电刺激对心肌细胞行为的影响,证明了电刺激可以促进新生大鼠心肌细胞的成熟;心肌组织生长并锚定在两根Pt-PDMS电极柱子上,心肌收缩会带动柱子发生位移,基于此得到了心肌的搏动力;本研究成功利用该装置实时监测药物(异丙肾上腺素)对心肌组织搏动的影响,检验了该装置在药物筛选中应用的可行性。(3)基于纳米纤维支架构建了适于干细胞向成骨细胞分化的微环境。利用静电纺丝方法制备了负载羟基磷灰石(HA)的聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)纳米纤维支架,骨髓间充质干细胞(MSCs)在不同支架表面的分化实验表明,HA的引入可以显著促进MSCs向成骨细胞分化,负载HA后支架上MSCs成骨相关的(包括ALP、OCN、Col I和Runx2)基因表达均上调;探索了MSCs向成骨细胞分化的相关信号通路,主要包括Wnt/β-catenin信号通路,BMP-Smad信号通路,MAPK信号通路(主要包括ERK及p38),对相关信号通路的关键蛋白进行分析,发现MSCs向成骨细胞分化时这些信号通路都被激活,探讨了PHBV/HA纳米纤维材料在骨组织工程应用的可行性。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.08;Q811
【图文】：

图 1.1 真核细胞的结构示意图[26]。一直以来，科学家们对细胞、组织和整个生命体形貌和结构的形成和发展机理很感兴趣。细胞处于一个复杂动态变化的微环境中。细胞所处的微环境包括细胞外基质，化学生长因子，细胞激素和其他类型细胞等，如图 1.2 所示。

东南大学博士学位论文图1.3 微环境在肿瘤发展中的作用[36]。1.2.3 仿生细胞外基质微环境1.2.3.1 基于生物材料表面的微环境在生物医学应用领域，生物材料的表面特性尤其重要[43-45]。表面特性，如表面的拓扑结构和表面化学物质，对细胞行为起着决定作用。早在 1914 年，Harrison 课题组就研究了细胞在不同固体结构（如蜘蛛网或乙烯树脂的音乐唱片）上的不同行为等[46]。对于贴壁细胞，细胞需要黏附在基底上才能生长。这类细胞有很多不同的细胞黏附受体，例如整合素可以与材料表面的化学物质相互作用[47-50]。由于细胞黏附受体可以与多种基质蛋白（如纤连蛋白，胶原，黏连蛋白等）相结合

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本文编号：2715747