基底应力梯度诱导骨髓间充质干细胞多表型分化的研究

Human mesenchymal stem cells (hMSCs) are multipotent adult stem cells with the capability of differentiation into multiple cell lineages, which has generated a great amount of interest in the fields of cell or gene therapy and tissue engineering due to their unique biological properties. Directing multiphenotypic mesenchymal stem cell differentiation using single substrate stress gradients in absence of any chemical cues represents a first simulation of what cells experience during embryonic development in vitro, which will significantly contribute to functional organ regeneration in vitro. This work is proposed to construct a viscoelastic mechanical model, where a shaft-loaded blister test is designed to deform a clamped circular viscoelastic polyacrylamide (PA) membrane. Membrane radial stress decays from maximum value at the center towards the perimeter. If such stresses are taken as residual stress on the membrane that causes strain-hardening, the radial stress gradient thus leads to non-uniform apparent elastic modulus. Through the mechanotransduction between cell-ECM and cell-cell, cells at different locations will experience different substrate stiffness, from the stiff at the center to the compliant at the periphery. By adjusting the membrane thickness, radius, the external load as well as the materials properties, we hope to find out the stress gradient to direct multiphenotypic stem cell differentiation. Finally, we expect to get the critical mechanical point to decide which pathway to occur when stem cells differentiate and will built up a biomechanical model to correlate stress gradient with multiphenotypic differentiation.

hMSCs具有多向分化的潜能，目前已成为细胞、基因治疗以及组织工程等领域的研究热点。研究在没有生化信号介入条件下，诱导hMSCs在基底应力梯度下进行多表型分化，探索在体外模拟胚胎发育时的真实经历，对认识器官功能性体外再生机理有重要意义。本课题拟构建一个粘弹性固体力学模型，在中心加载外力使周边固定的粘弹性基底膜形成鼓泡变形，径向正应力由圆心最大值逐渐向周边递减而形成应力梯度。作为引起应变硬化的应力梯度在膜表面形成了不均匀的表观弹性模量。通过细胞－细胞外基质和细胞－细胞间的力学信号传导，生长在基底表面上不同位置的hMSCs将感受不同软硬的基底，由膜中心处的硬基底过渡到边缘处的软基底。通过调整基底膜厚度、半径、外力载荷以及材料属性而得到适于细胞生长且能够诱导hMSCs分化成多表型细胞的应力梯度。本课题预期得到诱导细胞向不同方向分化的临界应力梯度，并建立应力梯度场与多表型分化的生物力学相关性。

骨髓间充质干细胞具有多向分化的潜能，诱导其在体外定向分化已成为细胞、基因治疗以及组织工程等领域的研究热点。本课题主要研究工作包括：1）申请了四项发明专利，其中两项为利用轴加载以及磁力而使自支撑薄膜产生鼓泡变形，从而对培养于其上的细胞施加应力/应变梯度场的新型力学加载装置；2）本课题实现在没有任何化学信号介入的情况下，在同一基底不同位置上的干细胞通过细胞－基底力学传导机制，干细胞感知基底的 “表观弹性模量” 梯度场，并以多表型分化作为生物行为的反应，分化成不同表型的细胞；3）为了研究干细胞在外力作用下的力学生物学响应，本课题采用了粗粒化耗散粒子动力学方法有效地模拟单个细胞的力学生物学响应，研究了粗粒化程度、受拉伸粒子个数、微丝浓度以及细胞半径对细胞拉伸模拟结果的影响；4）干细胞一个比较重要的分化方向就是骨向分化，本课题组自主研发的高加速度离心机实验设备模拟小鼠成骨细胞处于高加速度力学环境下，了解高加速度的极端力学环境对小鼠成骨细胞的增殖、凋亡、细胞骨架形态以及细胞形貌等一系列影响；5）钛合金已经在生物医学界广泛应用，因此，材料的表面特性与其生物学效应有重要关系。本课题以大气和真空喷涂两种方法将纯钛涂层于钛合金基底上，同时以未喷涂样本为对照组，研讨了纯钛涂层于钛合金基底对小鼠前成骨细胞力学生物学行为的影响，即钛涂层表面对前成骨细胞的黏附、增殖、分化等力学生物学的影响。.综上所述，本课题建立起力学微环境与干细胞多表型分化之间的生物力学模型，通过实验的方法以及粗粒化耗散粒子动力学方法研究了细胞对应力梯度场、高加速度场、基底硬度等力学微环境所产生的特异性的力学生物学响应，帮忙人们进一步了解力学信号在细胞分化和组织建成过程中的重要作用。