基于氧分压-诱导因子浓度可控微流控芯片的干细胞生长和分化调控机制研究

Due to the capacity of self-renew and differentiation, stem cells have become precious cell sources for regenerative medicine. However, how to achieve proliferation and differentiation of stem cells with high efficacy is the key challenge we are facing for their successfully clinical applications. Culture environment such as oxygen partial pressure and growth factor plays an essential role in the proliferation and differentiation of stem cells. Currently researches on the proliferation and differentiation of human pluripotent stem cells (hPSCs) are carried out in normoxia conditions in vitro while hPSCs live in hypoxia conditions in vivo. Hence, in this project, we will design a novel microfluidics with controllable oxygen partial pressure and inducing factor concentration to investigate the effect of oxygen partial pressure and growth factors on cell morphology, adherence, cell death, proliferation rate and stemness during cell expansion. In addition, the effect of oxygen partial pressure and differentiation inducing factor concentration on the differentiation of hPSCs will be further elucidated to reveal the regulation mechanism of culture environment on cell fate during differentiation. This implementation of the project will lay the foundation for achieving highly efficient scale expansion and directional differentiation of hPSCs for their applications in clinic.

干细胞因具备增殖和分化能力而成为再生医药的首选细胞源，其高效增殖和分化是成功临床转化的关键。在干细胞的增殖和分化过程中，外界环境如氧分压和诱导因子浓度等扮演着重要角色，是决定干细胞增殖和分化效率的重要因素。目前人多能干细胞（hPSCs）的增殖和分化研究多是在体外有氧环境下进行，而hPSCs在体内却是生活在缺氧条件下。因此本项目以hPSCs为研究对象，设计新型微流控芯片，实现氧分压和诱导因子浓度可控；在芯片上建立氧分压-诱导因子浓度双梯度，以考察在增殖过程中氧分压和生长因子对hPSCs的细胞形态、粘附、死亡、增殖速率的影响，确定氧分压对hPSCs干性维持的影响；探讨分化过程中氧分压和分化诱导因子双梯度对hPSCs分化的作用，以期揭示氧分压对hPSCs分化命运的调控作用。项目的实施将为解决hPSCs在临床应用中面临的高效规模化扩增和定向分化问题奠定基础。

干细胞因具备增殖和分化能力而成为再生医药的首选细胞源，其高效增殖和分化是成功临床转化的关键。目前，对干细胞增殖和分化研究多是在体外有氧环境下进行，而干细胞在体内却是生活在缺氧条件下。因此，本项目以人多能干细胞（Human pluripotent stem cells （hPSCs））为研究对象，建立一种全新的基于微膜泵驱动技术的微流控细胞培养芯片及装置，形成氧分压-诱导因子双梯度，用于hPSCs培养和增殖分化的研究。.微流控芯片研究部分，取得如下成果：1.氧分压形成机制研究：建立芯片氧分压模型，考察氧分压形成的机理，确定最佳的氧分压形成条件；2.多芯片材质上的hPSCs培养研究：建立筛选细胞系及科学方法，筛选出既能生成氧分压环境又适合hPSCs细胞长期培养的聚苯乙烯复合膜材料； 3.成功开发新型微膜泵驱动微流控芯片及控制装置，在线形成3 X 4阵列式氧分压和诱导因子浓度双梯度。.hPSCs增殖分化方面，取得如下成果：初步实现hPSCs的连续培养和增殖，深入研究了蛋白激酶A（PKA）抑制剂H89对hPSCs解离后凋亡的潜在影响机制，揭示了解离状态导致hPSCs线粒体凋亡的PKA/p-p53/Bax信号通路，为解决hPSCs在临床应用中面临的高效规模化扩增和定向分化问题提供一定的研究方法及途径。本项目共发表了3 篇论文，其中SCI论文 2篇；培养博士研究生2名，还有1名博士研究生在读，完成了预期的研究目标。