仿生性流体力学信号对组织工程心脏瓣膜种子细胞的调控研究

目前组织工程心脏瓣膜（TEHV）面临无法耐受体内高压、高速血流冲击的研制瓶颈。力学信号是胚胎期瓣膜生理发育、适应力学环境的关键调控因素。我们首先发现TEHV种子细胞（内皮祖细胞和骨髓间充质干细胞）在体外培养分化阶段就予以流体力学信号刺激，可明显改善其抗血流冲击的能力。然而目前力学信号调控机制不清楚，调控方案远不完善。因此我们拟率先体外模拟瓣膜生理发育的力学信号调控过程，通过搏动平板培养腔和反应器，采用仿生的脉压式搏动性流体力学信号对种子细胞种植前、后系统训练，从低压、低速逐步过渡到高压、高速力学环境，渐进性调控、增强细胞抗血流冲击能力。从体外细胞培养、TEHV构建、搏动反应器内培养和动物体内移植4个层面上依次展开力学信号对种子细胞活性、功能调控的系统研究，探索出完善的力学调控方案并初步探明分子机制，为研究出可适应体内复杂力学环境的TEHV和其它类似组织工程器官（血管）提供理论和实践基础。

课题组按计划完成了研究计划，系统地研究了恒定剪应力和渐进性增加剪应力对MSCs的作用，发现随着剪应力强度逐渐增加，MSCs的增殖、生长、分泌和粘附能力经过力学适应后得到了提高。首先提出了力学预适应的概念，即对MSCs在种植于支架材料前首先进行渐进性增加剪应力力学预训练，发现其相比于恒定剪应力可以更进一步提高细胞增殖、生长、分泌和粘附能力，同时可以减少高恒定剪应力所带来的细胞凋亡增加的比率。在此基础上深入研究了力学信号影响MSCs活性功能的作用机制，发现力学信号提高PIM-1蛋白表达并促进MSCs增殖，p38和ERK分子信号通路可能在调控其增殖过程中发挥关键作用；渐进性增加剪应力干预可能通过提高细胞分泌能力促进了MSCs的迁移能力；渐进性力学适应信号可能通过增加MSCs中纤连蛋白(FN)和玻璃粘连蛋白(VN)的表达促进MSCs粘附能力的提升。通过力学与化学因素结合的方法处理MSCs可以诱导其向平滑肌细胞样细胞方向分化，ERK分子信号通路在细胞分化调控过程中发挥重要作用。动物体内移植实验验证了上述结果。本研究研究了渐进性增加剪应力力学适应对MSCs活性、功能和分化等的影响及其可能的作用机制，寻找到了细胞内力学信号作用的关键分子，为基因改造优化种子细胞提供理论基础，探索了可显著改善MSCs耐受高压、高速血流冲击的仿生性力学训练系统方案。共发表SCI论文6篇，中文源期刊论著1篇，国家发明专利1项，培养博士生2名，硕士生1名。