力学微环境对人肺泡上皮细胞上皮间质转化过程的调控及机制研究

The change of extracellular matrix mechanical micro-environment（rigidity and topography）is an important characteristic of pulmonary fibrosis. Although researches have shown that the epithelial to mesenchymal transition (EMT) plays an important role in the pulmonary fibrosis, the regulation of mechanical micro-environment to the EMT and its mechanism are still unclear. In this project, polydimethylsiloxane (PDMS) is selected as the substrate material for study pulmonary fibrosis. This project aims to use multidisciplinary means, including biomechanics, cytobiology, and molecular biology, to study the relationship between mechanical micro-environment and EMT, and to explore the role of FAK related signaling pathways and calcium signaling pathway in mechanical micro-environmental regulation of EMT in human A549 cells. Based on the studies above, the regulation mechanism of mechanical micro-environment to EMT progress will be explored. Research results can provide important theoretical basis for revealing the mechanism of pulmonary fibrosis, and provide targets for the prevention and treatment of pulmonary fibrosis.

细胞外基质力学微环境的改变（硬度以及拓扑结构）是肺纤维化的重要特征。尽管许多研究表明上皮间质转化（Epithelial to mesenchymal transition，EMT）在肺纤维化过程起重要的作用，但力学微环境如何调控EMT过程及具体机理目前尚不清楚。本课题针对肺纤维化这一病理过程，以人肺泡上皮细胞A549为研究对象，用聚二甲基硅氧烷作为基底材料，运用生物力学、细胞生物学和分子生物学等多学科手段，从基底硬度和表面拓扑结构两个方面讨论力学微环境对肺泡上皮细胞EMT的影响，并研究FAK相关信号通路和钙信号通路在此过程中的调控作用，在此基础上揭示力学微环境对EMT相关肺纤维化的调控机理。获得的研究成果可以为揭示肺纤维化的发生机制提供重要的理论基础，并为肺纤维化的预防和治疗提供靶点。

本研究针对肺纤维化这一病理过程，以人肺泡上皮细胞A549为研究对象，用聚二甲基硅氧烷作为基底材料，运用生物力学、细胞生物学和分子生物学等多学科手段，从基底硬度和表面拓扑结构两个方面讨论力学微环境对肺泡上皮细胞EMT的影响，并研究FAK相关信号通路在此过程中的调控作用，在此基础上揭示力学微环境对EMT相关肺纤维化的调控机理。研究表明：当PDMS预聚体与固化剂的质量比为10:1和30:1时，PDMS平面和微柱拓扑结构两种基底的弹性模量之间都没有显著性差异，PDMS基底三维结构的变化没有显著影响其弹性模量。结果显示：随着微柱阵列型拓扑结构基底的微柱间间距的增大，A549细胞的相关生物学特性发生了一定的改变。单纯地改变基底硬度并不能影响EMT过程，而改变基底的三维结构则会影响EMT过程，这就表明肺纤维化进程中肺部结构的实质性变化是硬度和三维结构变化的共同作用结果。A549细胞在较大微柱间距时其细胞的铺展面积和细胞圆度降低，而细胞的极化行为变得更加明显，上皮细胞向间质细胞转化。另外，A549细胞的骨架也随着微柱间间距的改变发生重排，微柱间间距越大，A549细胞的黏着斑的表达量越多，细胞的黏附位点增多。研究结果还表明，随着微柱间间距的增大，VIM表达明显上调。微柱阵列型拓扑结构基底能够促进TGF-β1诱导的EMT过程，微柱阵列型拓扑结构基底作为力学刺激能够发挥和细胞因子TGF-β1相同的作用。研究结果揭示了Smad信号通路和FAK基因在拓扑结构促进的EMT过程中起到重要的作用, 微柱阵列型拓扑结构促进EMT的过程中，Smad信号通路相关蛋白的表达量上调；FAK的沉默抑制了微柱阵列型拓扑结构促进的EMT过程。本项目从生物力学的角度探讨了细胞外基质微拓扑结构的变化对A549细胞生物学行为的影响，也探究了细胞外基质微拓扑结构对EMT过程的影响及相关机制。该研究结果有助于为EMT相关的肺纤维化疾病的预防和治疗提供新的靶点。