凝胶降解的时空调控与细胞力学微环境设计

Stem-cell function and differentiation fate are known to be regulated by signals from the cellular microenvironment, in which, mechanical properties of matrix have a significant effect on cell function expression. As such, it is important to understand the molecular basis of cellular mechanotransduction for tissue regeneration and tissue-inducing biomaterials design. As suggested by the previous research, the cell adhesion mediated signal transmission and cell-matrix interaction is important for cellular mechanotransduction. Meanwhile, cell-mediated matrix realignment has a vital impact on cell communication establishment and cell functional expression. Besides, fibrous matrix that enables force transmission over distances is more conducive to mechanical signal transduction and response between cells and matrix. On the basis of this, the collagen/alginate composite hydrogel with tunable mechanics and fibrillar architecture is constructed. Here, the type-I collagen hydrogel with fibrous microstructure is selected to provide cell-affinitive domains, and the alginate grafted with photo-crosslinkable o-nitrobenzyl derivatives is introduced to endow the hydrogel with dynamic degradation and tunable mechanical properties. By regulating gel degradation, the dynamic control of mechanical properties and microstructure of 3D matrix can be achieved, and the interaction between cell fate and matrix stiffness is therefore investigated. Further, the mechanotransduction mechanisms can be explored to direct the construction of 3D matrix with characteristics that may induce the directed cell differentiation.

干细胞功能及分化命运与其所处微环境高度相关，基质力学性能对干细胞功能表达具有诱导作用，探索基质力学信号的跨膜传导机制及其对细胞命运的影响对组织再生和组织诱导性生物材料的设计具有重要意义。基于细胞粘附介导的信号传导和细胞/基质间的相互作用是基质力学信号传导的重要途径，而细胞作用下的基质重建对于建立细胞间交流和细胞功能表达具有重要影响，纤维结构基质更有利于基质对细胞信号的反应从而建立细胞间联系。本研究拟以自组装I型胶原为骨架构建凝胶基质的纤维微结构并提供基质基本的粘附位点；以光交联改性的邻硝基苯甲基衍生物接枝海藻酸钠为复合组分，实现对凝胶的光控交联与光控降解，从而获得既具有粘附活性，又具有纤维结构，并可通过物理调控实现细胞所处三维凝胶的力学性能和微结构的动态调控，从而探索基质力学特性对于细胞分化的影响机制，以及获得可诱导细胞定向分化的基质特性，探索细胞对基质力学信号的传导机制和生物效应。

自然组织中的细胞处于复杂的动态变化的三维力学微环境中，并通过细胞-细胞以及细胞-基质相互作用，感知、传递、转导和响应力学信号的改变并调控其生长和分化等功能，这些力学信号在不同组织，以及组织生长发育或疾病发生的不同阶段均存在显著差异。基于此，本研究重点围绕基质动态力学微环境对细胞功能表达的诱导作用，探索在此过程中基质动态力学信号的跨膜传导机制及其对细胞命运的影响，预期结果对组织再生和组织诱导性生物材料的设计具有重要意义。项目核心学术思想为：在兼具粘附性和纤维结构水凝胶体系构建的基础上，探究凝胶力学性能的多向调控性，及其诱导的微环境力学性能变化对于细胞分化与功能表达的影响，重点关注干细胞响应基质动态力学的分子机制，探索细胞-动态微环境作用中的时间尺度细胞力学记忆效应，最终获得具有诱导干细胞成骨分化的三维微环境。经过项目实施，本项目主要在如下几个方面取得进展：获得多种既具有粘附特性又具有可控力学调控特性的纤维结构复合凝胶体系，多种方式建立凝胶微环境力学特性的时空调控；基于仿生动态基质微环境中细胞行为响应，探明基质动态力学信号诱导细胞分化的分子机制以及重要细胞内信号转导路径，包括粘着斑介导的细胞骨架铺展与YAP信号通路，miR-21迟滞性转录遗传信息介导的细胞力学记忆效应，以及MRTF-A介导的细胞力学实时响应。该项目研究将大多数研究关注的二维静态基质表面细胞行为集中于更具有普适意义和应用前景的三维动态细胞微环境设计和机理研究，采用了新的有效表征微环境细胞及基质特性变化的表征技术，所获结果对于探索细胞-基质间相互作用规律，建立基于微环境理化信号设计的组织诱导性生物材料具有普适性和很好的应用前景。