生物材料表面吸附蛋白质对细胞粘附和生长的介导机理研究

Materials surface-protein adsorption-cell adhesion is a key scientific issue in the research of biocompatibility of biomaterials. The aim of this project is to investigate the mechanism of cell adhesion and growth mediated by adsorbed proteins on different biomaterial surfaces at three levels, including protein adsorption, cell signal transduction and intracellular pathway activation, cell adhesion and growth changes, by proteomic technologies, bioinformatics analysis combined with a variety of cell and molecular biological methods. The research contents are as follows: 1) Prepare and characterize of chitosan film, collagen-chitosan film, NiTi alloys and titanium nitride coated NiTi alloys; 2) Obtain the type and amount of serum proteins adsorbed on the above four materials via proteomics technology, analysis the function and biological pathways of adsorbed proteins involved in by bioinformatics, and establish the model of cell adhesion and growth mediated by adsorbed proteins; 3) Verify the model using a variety of cell and molecular biological methods; 4) Integrate all the experimental results to explore the relationship between the different physical and chemical properties and the different type, amount and conformation of adsorbed proteins, and the relationship between the different adsorbed proteins and subsequent specifically cell adhesion, and finally systematically illustrate the mechanism of cell adhesion and growth onto biomaterial surfaces mediated by adsorbed proteins at the molecular level.

材料表面-蛋白质吸附-细胞粘附研究是生物材料生物相容性研究领域中重要的基础科学问题。本课题拟采用蛋白质组学技术、生物信息学方法和多种细胞分子生物学方法从蛋白质吸附、细胞信号转导、细胞内通路激活、细胞粘附和生长变化等层次系统探讨不同生物材料表面吸附蛋白质对细胞粘附和生长的介导机理。内容包括：采用多种方法对壳聚糖膜、壳聚糖/胶原膜、镍钛合金及氮化钛涂层镍钛合金的理化性能进行表征；再采用蛋白质组学技术获得血清蛋白质在上述四种材料表面吸附种类和吸附量数据，通过生物信息学分析获得吸附蛋白质功能和参与的生物学途径，建立吸附蛋白质对细胞粘附和生长的介导模型；然后运用多种细胞分子生物学方法对模型进行实验验证；最后综合所有实验结果，探索出材料表面不同理化特性与吸附蛋白质种类、吸附量和构象之间的关系，以及其与后续细胞粘附特异反应的关系，在分子水平上系统全面解释生物材料表面吸附蛋白质对细胞粘附和生长的介导机理。

本项目的目的是采用多种生物组学方法对“材料表面-蛋白质吸附”、“材料表面-细胞粘附”和“蛋白吸附与细胞行为”这三个生物材料生物相容性研究领域中最重要的基础科学问题进行整体贯通研究，从而系统全面揭示“材料表面-蛋白质吸附-细胞粘附”相互作用的分子生物学机理。本研究共包括三个部分：第一部分研究首先采用多种方法对制备的壳聚糖膜、胶原蛋白/壳聚糖膜、NiTi合金及TiN涂层NiTi合金进行理化性能表征；其次采用蛋白质组学技术获得血清蛋白质在材料表面吸附层的种类和吸附量，并通过生物信息学分析获得吸附蛋白质功能、参与的生物学通路和包含的RGD序列分布；在此基础上提出吸附蛋白质对细胞粘附和生长的介导模型，并运用多种细胞分子生物学方法对生物信息学分析结果进行验证。第二部分研究分别应用基因组学和蛋白质组学技术对NiTi合金和TiN涂层镍钛合金表面黏附的人脐静脉内皮细胞的基因组和蛋白质组进行研究，再采用DAVID和GenMAPP对筛选出的差异表达基因和差异表达蛋白质进行功能分类和生物学通路分析，并进行多种验证实验。第三部分研究通过对材料表面吸附蛋白质的蛋白质组学研究结果与材料表面黏附细胞的基因组学、蛋白质组学研究结果的综合分析，阐述NiTi合金和TiN涂层NiTi合金表面吸附的蛋白质对细胞粘附、生长和增殖的作用机理。. 本研究组在国际上首创性地将材料表面对蛋白质吸附的影响、吸附的蛋白质层通过对细胞内基因组/蛋白质组的影响来介导细胞粘附和影响细胞生长增殖的作用机理进行了贯通研究，揭示了1）NiTi合金/TiN涂层NiTi合金表面与对照材料壳聚糖相比对血清中蛋白质吸附的不同影响；2）NiTi合金/TiN涂层NiTi合金表面吸附的蛋白质层组分介导人脐静脉内皮细胞在材料表面粘附和生长的分子机理； 3）NiTi合金表面的镍元素对细胞增殖的影响。探索出了系统研究生物材料表面-蛋白质吸附-细胞粘附机理的一整套新方法和技术路线，为深入理解材料表面–蛋白质吸附–细胞行为的相互作用提供了新见解，提升了生物材料领域的相关科学理论。