材料表面血管内皮细胞和平滑肌细胞迁移的研究

Cell migration is a key issue of cell-material interactions. Insight of the rules of cell migration on materials is critical for guiding the design of new biomaterials for tissue repair and tissue regeneration. Up to date, materials for cardiovascular stents are still far from satisfactory because of high risk of materials-associated restenosis, which is caused by the relatively fast migration of vascular smooth muscle (VSMC) and the slow formation of vascular endothelial cell (EC) layer. Thus, a study for the competitive migration of VSMC and EC is crucial for improving the endothelialization of cardiovascular stents. It has been known that cell migration is based on cell adhesion which is mediated by the bioconjugationg between a transmembrane protein integrin and its ligands (usually some peptides with specific sequences). This grant is aimed to modify surfaces of polymeric materials with peptide arrays of well-controlled spatial distribution to regulate cell migration. Block copolymer micellar nanolithography will be combined with transfer lithography strategy to prepare homogeneous nanopatterns of ligands and gradient nanopatterns of ligands on nonfouling poly(ethylene glycol) (PEG) hydrogels. We will then examine competitive random migration of both ECs and VSMCs on a series of homogeneous nanopatterns with different nanospacings of ligand peptides on PEG hydrogels, and also investigate the directional migration of the two cell types on nanopatterns with well-designed gradients.

细胞在材料表面的迁移是涉及细胞与材料相互作用的主要方向之一，揭示相关规律对于指导研发新型组织修复和再生材料至关重要。在血管支架植入术治疗心血管疾病的过程中，材料表面内皮化偏慢、而血管平滑肌迁移和增殖偏快，是术后再狭窄的重要原因，也是一个经典的学术难题。这就需要从基础研究层面深入探讨血管内皮细胞和平滑肌细胞在材料表面竞争性迁移的调控规律。细胞膜上的整合素与细胞外基质中的多肽配体相结合所介导的细胞黏附是细胞迁移的基础。申请基金拟在高分子材料表面共价连接具有特定空间分布的多肽配体来调控细胞迁移。项目将利用嵌段共聚物胶束自组装纳米蚀刻技术与转移技术相结合，在抵抗细胞黏附的聚乙二醇（PEG）水凝胶基底上连接促进细胞黏附的多肽配体，并获得不同间距和梯度分布的多肽纳米点阵，以探讨等距纳米阵列调控血管内皮细胞、平滑肌细胞无规迁移的规律，以及探讨梯度纳米阵列调控这两种细胞的定向迁移的规律。

细胞在材料或生物基底表面的迁移在许多生命进程以及材料植入后的组织再生等过程中至关重要。因此，研究影响细胞迁移的理化因素具有重要意义。内皮细胞和平滑肌细胞在材料表面的竞争迁移对心血管植入材料内皮化至关重要，因此，本项目聚焦这两种细胞，利用嵌段共聚物胶束自组装纳米刻蚀技术和键接精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）多肽制备的RGD纳米阵列，研究整合素-RGD黏附位点的纳米间距对两种细胞黏附和迁移的影响、规律及分子调控机制，以揭示材料表面黏附与迁移的关系。.结果表明：1）在等距纳米黏附位点图案化表面，内皮细胞黏附和迁移受纳米间距的调控：随着纳米间距的增大，细胞黏附逐渐减弱。不同的是，细胞迁移速率随着纳米间距的增大，呈先上升后下降的趋势，在91 nm间距图案化表面，内皮细胞出现迁移速率峰值。2) 在等距纳米黏附位点图案化表面，平滑肌细胞的黏附和迁移也受纳米间距的调控：随着纳米间距的增大，细胞黏附逐渐减弱。同样平滑肌细胞迁移速率随着纳米间距的增大，呈先上升后下降的趋势。但是，与内皮细胞不同的是，平滑肌在74 nm间距图案化表面，出现迁移速率峰值。3）细胞在等距纳米黏附位点图案化表面迁移速率变化规律的分子生物学机制与细胞黏附相关：随着纳米间距的增大，细胞黏附相关蛋白表达下调，细胞迁移的尾端容易与材料解黏附，当纳米间距下降到一定程度，细胞前端由于分子离合器原理，微丝不容易参与形成新生黏附位点，因此细胞无法获得向前迁移的拉力。可见，纳米间距诱导的中等程度的粘度，有利于诱导细胞最快迁移速率。4）在梯度纳米黏附位点的图案化表面：平滑肌细胞在2.mm（40 nm-80 nm）梯度变化区间，可以观察到明显的梯度相关细胞极化和定向迁移，内皮细胞不明显。.本项目研究结果揭示了细胞与材料的黏附-迁移的的关系，可通过调节细胞黏附程度，促进细胞迁移速率，为下一步生物医学工程及可植入材料的研发提供了理论基础。