表面官能团调控蛋白吸附进而介导细胞行为的研究

Bioresponses of biomaterials are largely dependent on surface properties, which are extremely important in designing biomaterials. It is widely accepted that biomaterial surfaces affect protein adsorption and the subsequent activation of cells. However, because of differences in composition and structure of various materials, we cannot effectively get conclusions of biomaterial surface property with the ability to elicit a specific cellular response. In this study, self-assembled monolayers (SAMs) of varying functional groups were used as controllable model surfaces to study some adhesive protein adsorption, using surface plasmon resonances and molecular dynamics simulation. In addition, how the surface properties guide the fate of stem cells and direct the downstream signal transduction mechanisms of related genes expression were systematically investigated to give a general direction to the surface design of biomaterials. This study will provide insight into the design of biomaterials with controllable and functional surface chemistry for biological adaptation, and further promote the development and application of biomaterials.

材料表面是决定整个生物材料应用效果的关键。材料表面引起的宿主反应是通过影响蛋白质在其表面的吸附行为，介导细胞的附着、黏附进而铺展、增殖和分化等行为来实现的。然而，由于材料表面性质的多样性，难以直接分析表面单一化学性质的生物应答特性而得到普适性的应用规律。本项目利用自组装单分子膜技术构建化学功能团明确可控设计的二维模型表面，结合表面等离子体共振技术和分子动力学模拟方法，在分子水平上研究材料表面化学对一些黏附类蛋白吸附行为的影响，并进一步分析功能基团与细胞表面受体蛋白相互作用的机理以及细胞内信号转导通路调控下游转录因子和相关基因表达的机制，旨在为建立具有普遍指导意义的新型生物医用材料表面化学性质的设计与调控准则提供思路，为设计具有生物适配的新型生物医用材料表面提供科学的理论依据，对推动生物材料的开发及应用具有重要价值。

通过材料表面化学调控蛋白的吸附行为，进而实现介导细胞的生物学反应，是新型生物材料表面设计的核心。由于材料表面性质的复杂偶联性及传统实验手段的信息局限性，难以直接揭示材料表面单一化学性质的蛋白吸附行为中分子或原子水平上的复杂细节信息以及细胞生物应答的内在关联，从而无法获得表面化学普适性的应用规律。.本项目针对材料表面化学的生物适配性关键科学问题，进行材料表面化学官能团调控蛋白吸附的分子机制研究。利用基础实验手段结合分子动力学理论指导，构建不同化学官能团CH3、NH2、COOH、OH的SAMs表面调控纤连蛋白（Fn）和玻连蛋白（Vn）吸附的分子模拟体系和普适性的评价体系，分析了化学基团与成人骨髓间充质干细胞细胞（hBMSCs）表面受体蛋白相互作用及胞内信号转导通路调控下游转录因子和相关基因的表达，进一步探究了表面化学调控Fn/Vn蛋白质间的互作。结果表明：静电作用和疏水作用均能吸附大量的Fn和Vn，且具有较高的结合速率和较低的解离速率；由于氢键的弱作用，蛋白在亲水OH表面的吸附量较小，但能够保持较高的生物活性。Fn和Vn介导细胞的行为取决于表面化学对其吸附量和构象的调控尤其是特性性位点的取向。Fn在亲水表面的取向将细胞特异性结合的位点(RGD和PHSRN序列)暴露，而在疏水的CH3表面以“头立”取向其特异性结合位点被遮蔽，进而NH2、COOH和OH表面相对CH3表面更利于细胞表型行为的表达，尤其是NH2和COOH表面更利于干细胞的成骨分化。Vn在带电表面的RGD位点自由度相对较高，而在疏水表面的解折叠使其平铺多层形态不利于细胞的黏附。此外，蛋白间主要通过静电互作驱动，以极性互作方式结合，蛋白表面的碱性残基Arg和Lys，是引导并稳定蛋白间互作的重要部分。这些研究为新型生物医用材料表面化学性质的设计提供理论依据。