应用表面模式化方法研究表皮干细胞迁移动力学及其分子机制

创面的损伤修复是一个复杂而有序的力学-生物学耦合过程。肉芽组织的增生与再上皮化是创面修复过程中的关键环节。其中，成纤维细胞增殖并分泌细胞外基质，为表皮干细胞增殖/分化和迁移奠定了物质基础，而表皮干细胞的迁移是修复活动中的核心事件。表皮干细胞-成纤维细胞-细胞外基质相互作用及其动力学是创面修复研究的关键问题，这一多因素复杂过程尚未得到准确的表述。如何建立简单模型、孤立不同影响因素、逐步揭示问题实质就成为迫切需要解决的问题。微/纳米图案加工技术的成熟使单细胞的控制成为可能，为细胞精确定位和共培养等方面的研究提供了一种强大而可行的实验手段。本项目采用基于软刻蚀技术制备的微/纳米图案化技术，以表皮干细胞和成纤维细胞为研究对象，使用应力加载系统建立单细胞体外应力加载模型，从单个细胞水平探索细胞行为、规律及其分子机制，最终揭示应力-生物学耦合作用在创面愈合中的调控机制。

皮肤损伤修复中的再上皮化过程主要由表皮干细胞的迁移完成，该迁移行为在创面愈合过程中是至关重要的，受到周围生物化学和生物力学微环境的共同作用。然而，应力加载及表皮干细胞与成纤维细胞共培养条件是否能够影响表皮干细胞/成纤维细胞迁移及力学刺激促进创面愈合的细胞/分子的调控机制目前尚不清楚。本课题采用自制应力加载系统，建立体外应力加载条件下表皮干细胞（HaCaT）单培养及与真皮成纤维细胞（HF）共培养体系，结合transwell小室研究机械应力及共培养条件研究HaCaT/HF在水平向或垂直向的（跨膜）迁移能力及迁移动力学。结果表明，当HF与HaCaT共培养时，HaCaT在水平向或垂直向均会出现非对称迁移现象，即HaCaT会向背离HF方向迁移能力增强。共培养条件下应力会增强HaCaT的非对称迁移。而HF则不会出现非对称迁移。HaCaT的非对称迁移主要由HF旁分泌的EGF所调节，而TGF-alpha 或TGF-beta1不起作用。HaCaT的非对称迁移与细胞表面的力敏感受体beta 1 整合素相关。在HaCaT迁移外缘，vinculin表达降低而Cdc42升高，暗示细胞迁移与黏附斑的形成及伪足的形成有关。HaCaT细胞的这种非对称迁移的特点进一步被PI3K在背离成纤维细胞方向的HaCaT迁移前缘细胞内的表达量增高，而在靠近方向降低的结果所证实。当受到力学刺激时，HaCaT细胞内部磷酸化的ERK蛋白表达量也会增高。本项目报道了静态拉伸条件下表皮干细胞的一种非对称迁移的新奇模式，相关的力传导信号途径是beta 1整合素依赖性的。这些结果对于理解力学刺激条件下表皮干细胞迁移的2D或3D模式及相应分子机制提供了一个新的观点，对临床应用具有重要指导作用。