骨架相关蛋白介导的材料物理性征对干细胞命运的调控及其机制研究

Stem cell therapy is widely used in repairing tissue defect. However, it is still a difficult topic in regenerative medicine research because the seed cells are scarce and easy to insert exogenous biological factors during expansion in vitro. Our research group study how the physical factors regulate stem cell differentiation an stemness for a long period. We have proved that micro- or nano-structure, hardness, arrangement mode of atoms and other physical factors have different effects on the differentiation of MSCs, and we have started to deliberate the regulation mechanism. Based on these, this project aims to regulate the biological behavior of stem cells through different material surface physical characteristics and analyse the gene expression patterns of hESC-MSCs and hESC-ECs on different material interfaces. At the same time, we will choose and optimize the most suitable surface physical characteristics for different stages of differentiation, probe the regulation mechanism, clarify the specific process of material surface physical characteristics regulate the stem cell fate mediated by skeleton protein related Rac1/PAK pathway and (or) Rho/ROCK pathway. On thses basis, we can optimize the amplification system of stem cells in vitro and provide theoretical and experimental basis for clinical application of stem cell therapy and tissue engineering.

干细胞治疗被广泛用于组织缺损的修复，然因其种子细胞来源稀少、体外扩增易引入外源性生物因素故依然是再生医学研究的难点与热点。课题组长期致力于多型物理因素调控干细胞干性或分化性能的研究，已证明不同材料表面微纳结构、硬度、原子排列方式等物理因素对MSCs具有不同程度的分化调控作用，并对其调控机制进行了初探。基于此，本研究拟通过制备不同类型的材料表面物理性征，调控干细胞的生物学行为，分析hESCs来源的间充质干细胞及内皮类细胞在不同材料界面的基因表达谱；同时，筛选并优化不同细胞分化状态需求下的最优材料表面物理性征，并对其具体调控机制进行深入探讨，阐明骨架蛋白相关Rac1/PAK通路和（或）Rho/ROCK通路介导的材料物理性征对干细胞命运调控的具体过程；在此基础上，优化干细胞体外扩增体系，为干细胞治疗和组织工程的临床应用提供理论基础和实验依据。

干细胞治疗被广泛用于组织缺损的修复，然因其种子细胞来源稀少、体外扩增易引入外源性生物因素故依然是再生医学研究的难点与热点。课题组长期致力于多型物理因素调控干细胞干性或分化性能的研究，已证明不同材料表面微纳结构、硬度、原子排列方式等物理因素对MSCs具有不同程度的分化调控作用，并对其调控机制进行了初探。基于此，本研究分别采用光蚀刻法和双层光刻技术结合各向异性腐蚀技术，制备螺旋图案和微锥阵列，并通过对细胞在上述界面铺展和分化过程中细胞伪足的观察和骨架系统以及相关通路的检测，探讨了细胞感受图案化信号影响细胞行为以及细胞的机械敏感性调控可能是整合素-黏着斑蛋白激酶（FAK）介导的MAPK通路和Rho/ROCK通路的作用，化学因素可促进细胞机械敏感性。课题组进一步使用4D打印技术构建了具有温度响应的形状记忆聚合物，实现了材料界面从平整到突起以及相对应干细胞从细胞增殖状态向分化状态的精准调控，与动态变化引起细胞骨架的牵拉以及细胞核的变形相关，从而引起YAP和Lamin A/C蛋白的表达量上调，两者协同作用加快了干细胞成骨向的分化。本研究为组织工程技术提供了新的理念和方法，对促进骨组织工程发展具有重要意义。