基于材料表面图案化技术探索干细胞的手性

Design of new-generation biomaterials is, in a large extent, dependent upon the comprehensive understanding of the cell inherent characteristics and cell-material interactions. Chirality is one of the most fascinating and ubiquitous cues in nature, especially in molecules and lives, and hence, studies of the possible effects of substrate chirality features on cell behaviors and the possible inherent chirality of cells is very meaningful. However, it is difficult to carry out an intensive study of cell inherent chirality in the traditional cell culture system, because of the uncontrollability of cell adhesion. With the development of advanced material technology, surface patterning technique has afforded a powerful tool to control cell adhesion and is thus much helpful for revealing the possible inherent chirality of cell. In this project, we plan to choose bone marrow mesenchymal stem cells (MSCs) as a model and aims to reveal the inherent cell chirality and corresponding effects on cell adhesion and differentiation at single cell levels based on a unique surface pattern transfer technology and the technique of molecular self-assembly. The related fundamental studies are expected to reveal the inherent chirality of single stem cells to some extent, and paved ways to further studies of cell-material interactions. The new insight might also be helpful for guiding the development of novel biomaterials.

新一代生物材料的设计在很大程度上依赖人类对细胞本质特性以及细胞-材料相互作用规律的认识。在化学、材料和生物界，“手性”特征的选择是一种令人着迷的现象。因而，研究细胞自身行为或构造可能体现出的手性特征以及细胞对基底手性特征的响应成为一个重要的基础科学问题。材料表面图案化技术可用于构建具有细胞黏附反差特性的阵列，进而达到对细胞黏附的精确控制，从而为深入考察细胞手性特征提供了可能。本项目计划以骨髓基质干细胞为模型细胞，并借助独到的聚乙二醇水凝胶图案化技术和分子自组装技术，通过设计恰当的图案表面，着力从单细胞水平和可控集群水平上探讨常规材料手段难以阐释的细胞固有手性特征，并尝试利用该特征调控干细胞的黏附与分化等基本行为。项目拟开展的系列研究有望拓展对干细胞行为调控的材料因素的认识，进而为深入理解细胞-材料相互作用这个经典难题提供新的思路与方法。

生物材料的设计在很大程度上依赖人类对细胞本质特性以及细胞-材料相互作用规律的认识。研究细胞自身行为或构造可能体现出的手性特征在其中具有重要意义。材料表面图案化技术可用于构建具有细胞黏附反差特性的阵列，从而达到对细胞黏附的精确控制，进而为深入考察细胞手性特征提供了可能。.本项目发展了抗细胞黏附反差图案材料的制备方法，借助系列恰当图案材料的设计与制备，通过骨髓基质干细胞取向偏转、细胞迁移、细胞核旋转等行为的综合考察在可控细胞集群和单细胞层面上揭示了干细胞自身存在某些固有手性偏好。如细胞集群在直线条纹图案表面会大概率地发生左-右不对称的逆时针偏转；细胞集群在特殊波浪状条纹图案上发生持续逆时针迁移的速度明显快于顺时针迁移的速度；单细胞核在圆形图案表面会大概率地发生左-右不对称的逆时针旋转。细胞体现出的这些手性特征是一个概率问题（从统计学角度来讲成立），与分子结构等的手性特征具有显著差异。.此外，借助具有几何手性特征螺线图案的设计和制备，通过单个干细胞黏附和分化行为的综合考察表明干细胞在顺时针旋转螺线图案上的细胞应力相对较大，继而利于成骨分化；在逆时针旋转螺线图案上的细胞应力相对较小，从而利于成脂分化。这在一定程度上证实了综合利用材料表面图案化改性及前述干细胞“固有手性偏好”来调控细胞行为的可行性。.项目相关研究拓展了对细胞本质特征及其行为调控因素的认识，为深入理解细胞-材料相互作用这个经典难题以及新一代生物材料的设计提供了部分新思路与方法。