化学微环境与微观拓扑结构协同调控间充质干细胞命运的作用及其机制研究

大量研究表明干细胞微环境（niche）通过其组成元素之间的相互作用共同决定干细胞命运。本项目是基于当前胞外基质化学性质和拓扑结构（包括纳米尺度、表面弯曲度）都能够分别调控干细胞增殖和分化的研究基础，针对现有研究模型忽略了两者之间协同作用的缺陷，利用聚己内酯及其带有不同化学官能团侧基（甲基、羧基、氨基和羟基）的衍生物制备平面膜、电纺纳米纤维和多孔支架材料，系统考察化学微环境（化学官能团）与微观拓扑结构（纳米纤维尺寸或支架孔径）协同对间充质干细胞命运的决定，建立干细胞命运和生物材料特性之间的关联，并进一步通过对细胞粘附结构与组成、形态以及相关信号分子（整合素家族及RhoA/ROCK）的详细表征，探讨间充质干细胞对化学微环境与微观拓扑结构协同作用的响应机制，揭示体外调控干细胞命运的分子机制，为重塑干细胞微环境奠定基础，并为生物材料的设计、制备和改性提供科学依据，从而推动组织再生科学研究的发展。

干细胞微环境在干细胞增殖、分化和功能实现过程中起着决定性作用，而胞外基质是微环境的重要组成要素之一，其自身物理化学性质直接影响干细胞命运。本研究基于生物材料平台来考察材料的化学性质和物理结构体外调控干细胞生物学行为的规律及机制。我们合成了一系列带有不同化学官能团侧基（甲基、氨基、羧基、羟基和羰基）的聚己内酯衍生物，并制备了薄膜材料，通过优化制备方法制备了具有不同孔径的三维多孔支架材料和具有不同纤维直径尺寸的电纺纤维，基于此构建了一个系统的生物材料体系，进而以人间充质干细胞为研究对象考察了干细胞的响应。通过研究，我们发现，在不同化学基团的材料表面，间充质干细胞粘附、增殖和分化等生物学行为呈现不同的趋势，在未修饰和甲基修饰的表面细胞粘附和增殖能力相对较低，而在氨基和羧基修饰的表面相对要高，细胞成骨分化在氨基修饰的表面最高，而在甲基和羧基修饰的表面成脂肪和成软骨分化最好；电纺纤维尺寸也能显著影响细胞响应，间充质干细胞更倾向于在尺寸较小的纤维上粘附和生长，形态更为铺展，细胞成骨和成脂肪分化在小尺寸的纤维上效果更好，成软骨分化在大尺寸纤维上最强；支架材料的孔径也是调节间充质干细胞的关键要素，较小的孔中细胞更为铺展，而大孔径有利于细胞呈软骨分化，小孔则更能支持成骨分化；我们初步认识到干细胞的分化行为与其在材料表面的粘附相关。基于该项目研究工作，我们系统深入认识了间充质干细胞与生物材料之间相互作用的规律，为将来指导设计和构建功能生物材料提供科学依据。该项目通过在具有仿胞外基质特性的生物材料上的研究探索，能促进对干细胞在体内与胞外基质相互作用的深入理解，从而有望体外重塑干细胞微环境，促进组织再生研究领域的快速发展。