基于生物反应器模拟的膀胱机械力学环境的细胞生物学效应研究

机械力是影响细胞分化、增殖、基因表达、细胞分布等的重要因素，细胞能够感知传递机械力刺激，引起细胞结构和代谢两方面的适应性反应，最后表现为机械力的生物学效应。本研究借助膀胱生物反应器可将膀胱的动态机械力学环境单独作为一个影响因素从复杂的体内条件中剥离出来，放在可控制可观察的实验室环境进行研究。将膀胱机械力学环境导致的生物学效应按组织工程研究预期目标分为正向效应和负向效应，正向效应包括：细胞增殖增加、基因表达变化和体内细胞相接近、细胞功能性结构增加等。负向效应包括：细胞损伤、细胞凋亡。细胞结构破坏等通过生物反应器对膀胱尿路上皮细胞和膀胱平滑肌细胞加载体外的模拟膀胱动态生理力学环境，从结构和代谢两方面研究机械力导致的细胞的正向生物学效应和负向生物学效应及两者之间的关系，更加明确的认识机械力在组织工程中的角色

本研究在前期工作的基础上按照研究计划完成了如下研究：1. .生物反应器的理论完善和设备改造工作，确定了膀胱机械力模型的可靠性，在此基础上，完善建立了 “压力-张力”同步机械力加载系统，以及“压力-张力”非同步机械力加载系统（自建压力系统+BOSE张力生物反应器系统）。构建的新系统理论上关系如下：“压力-张力”同步机械力加载系统=新建单压力系统+BOSE张力系统，完整的构建了体外模拟膀胱机械力环境的机械力加载系统。2.选取了能反映机械力正向生物学效应和负向生物学效应相关指标进行了相关实验，机械力正向生物学效应包括细胞增殖作用，细胞收缩功能，PI3K-SGK1-Kv1.3信号通路，Rac1-MAPK信号通路，整合素信号通路、M受体、嘌呤、TRPV4 、细胞外基质（ECM）的调控、缝隙连接蛋白等进行了实验。机械力负向生物学效应主要选取了α-actin，PI。通过选取了大多数研究认可的可促进膀胱平滑肌细胞增殖的压力加载范围进行研究，探讨在这一体外培养条件下，可促进细胞增殖的压力眼里范围是否同时存在着损伤细胞的情况，结果初步揭示了机械力的促进与损伤作用间关系即机械力对细胞同时存在着促进和损伤的作用。3.对细胞加载实验中的关键问题进行了较深入的研究，包括实验条件一致性和实验误差控制、关于细胞能否分辨张力和压力的初步实验室探索、细胞机械力加载的可控与不可控条件以及细胞损伤与细胞死亡、细胞凋亡标志物的差别，力求使细胞加载实验的各个细节理论更加完善，使实验更加严谨。4.进行了其他方面的相关探索，一是可视化压力加载系统方面的探索，以探索现阶段被广泛采用的细胞加载策略中未包含所有可能对实验结果产生影响的因素为目标，以期通过对显微镜下可视化细胞机械力加载平台进行验证，连续检测活细胞超微结构的变化，使其能动态的反应机械力加载及细胞响应之间的关系，以及细胞对机械力响应是否一致，在此基础上我们对生物反应器机械力加载策略进行补充、修正、和调整，尽可能的使细胞对机械力刺激的响应行为趋于一致。另一方面是进行了BOO病理机械力环境的体外模型的研究，在体外模拟膀胱高压，压力持续时间延长的机械力环境对细胞产生的影响。本研究基本达到了试验计划预期的目的。