生物材料3-D微图案结构对机体MSCs细胞分化作用的影响及其调控

The interaction between biomaterials and tissue cells occures firstly at the surface of the biomaterials, surface structures, especially micro-structures and patterns of materials have a significant influence on cell differentiation. However, the nature and detailed molecular mechanism for such effects still remain unknown. In fact, cell behavior is affected and regulated by factors of micro-structures with different scales in vivo. Therefore, it is more significant how to expand the current 2-D pattern studies to 3-D micro-structure levels. The present proposal provides an effective solution to the problems above, which is mainly based on a breakthrough in single cell mechnical measuring techniques achieved by one of our team members. The research contents of the present proposal include: studies on mechanical effects and cell mechanical characteristics mediated by different dimensions micro-pattern structure (especially 3-D micro-pattern ones), and studies on pathways and regulation rules of directed differentiation from MSCs to osteoblasts mediated by mechanical effects of micro-pattern on genome level. Based on above studies on specific and key scientific issues, it can be expected to obtain an insight understanding to the mechanism of cell differentiation mechanically mediated by micro-pattern. Finally, the current research will also provide important theoretical basises on mechanical manipulation and regulation of cell behaviors, as well as further directed differentiation of the specific cell (MSCs), mediated by 3-D micro-patterns on biomaterial surfaces, which will therefore be a significant innovation and progress in tissue engineering and regenerative medicine.

生物材料-机体细胞相互作用首先发生在材料表面，材料表面结构尤其是微结构及图案对细胞分化具有重要影响。然而，对其影响细胞分化行为的本质和深层分子机理目前仍不清楚。由于细胞在机体内各种行为实际受到不同尺度3-D微结构因素的影响和调控，因此，如何将现有二维图案研究拓展到三维微结构空间，其意义更为深远。本申请基于课题组成员在单细胞力学测量技术领域的一项突破，为破解上述难题提供了可能。研究内容主要包括：不同维度（特别是三维）微结构图案介导的力学效应和细胞力学特征研究；基因组水平的3-D微图案力学效应介导MSCs细胞向成骨细胞定向分化的作用途径及调控规律研究等。通过上述具体和关键科学问题研究，获得对微图案力学介导细胞分化机理的规律性认识，为最终利用材料表面的3-D微结构图案对细胞行为进行力学操纵和调控、进而介导特定细胞(MSCs)的定向分化奠定重要理论基础。这将是本学科领域的一个重要创新和进展。

生物材料表面2D微图案结构对干细胞的行为及定向分化具有重要影响，将其拓展至3D微图案对干细胞的力学诱导调控分化是一个新尝试，尤其是3D微图案对体内组织再生的影响未见报道。本项目原创性提出了一种3D微图案制备新技术，实现了干细胞仅限定于3D微图案中生长且单细胞入孔率达到90%以上。在此基础上，通过体外3D微图案中干细胞的分化研究，ALP染色、Real-Time PCR、WB以及成骨相关蛋白和成脂相关蛋白免疫荧光染色等大量结果显示，长方形以及三角形3D微图案中干细胞倾向于向成骨分化，而圆形以及正方形3D微图案中干细胞则倾向于向成脂分化，且与2D微图案比较，3D微图案的影响更加明显；此外，通过基因芯片分析不同3D微图案中相关基因的差异性表达进一步证实了上述结果；通过免疫荧光以及WB等实验，发现在上述体外细胞实验结果中，长方形和三角形3D微图案中核内YAP/TAZ表达高于圆形以及正方形，进一步阐明了3D微图案通过力学信号YAP/TAZ调控干细胞分化的分子机理；通过建立大鼠颅骨缺损模型，研究不同3D微图案在体内对成骨分化的影响；通过免疫荧光检测，发现长方形以及三角形图案组中成骨相关蛋白表达量明显高于圆形及正方形图案组，与体外实验结果相对应，表明3D微图案在体内同样可以通过图案力学刺激来调控干细胞的分化，从而影响骨组织的再生和修复。本项目通过上述重要科学问题的研究，获得了对3D微图案影响干细胞分化的本质的深刻理解和认识，即通过3D微图案力学诱导调控干细胞分化的事实。该项研究是生物材料与细胞相互作用领域的一个重要进展和新突破，将为发展下一代基于表面微纳工程的新型3-D图案诱导型组织工程材料奠定重要理论基础。