体外培养过程中细胞与水凝胶动态相互作用的研究

With the rapid development of tissue engineering technology, the concept of repair materials required for the death or defects organ changes from the initial extracellular matrix substitute to the development of new materials which can control the behavior of cells and the seamless integrate to living organisms. Recent studies have revealed that tissue cells are exquisitely sensitive to their ECM microenvironment and the complex, dynamic and reciprocal interactions that occur at the cell-ECM interface in the native tissue microenvironment can have profound influences on cell function, fate and tissue formation. In this project, in situ measures of cell/hydrogel complex based on rheologic technique will be developed and silk fibroin hydrogen and peptide-polymer hybrid hydrogel will be used as model substitutes for ECM, to investigate the relationships between cell behaviors (such as: adhesion, proliferation, differentiate, migration, morphogenesis, as well as apoptosis) and molecular structure, properties, as well as biodegradation kinetic of hydrogel on nanoscopic and molecular levels, and determine the key parameters of the process. Based on the experimental data, the theoretical model will be built to explain the impact of these dynamic interactions on the the aggregate state of molecular chains, three-dimention network struture, performence and degradation mechanism of hydrogel, as well as the feedback actions of hydrogel on cell behaviors and tissue fomation. Meanwhile, the model will be capable to lead to a better understanding of the influence of interplay between cell and melieu on physiological functions of cells, disease processes, and tissue-repair strategies.

随着技术的发展，组织工程学的研究不再仅仅局限于设计具有适当的机械性能和生物相容性、耐久性，或可生物降解性的材料，更希望让这些材料对细胞的生长、行为和功能进行调控。本研究拟建立能长时间原位监测体外细胞培养过程中水凝胶结构性能变化的研究方法，以深入系统地探讨细胞与水凝胶之间的动态相互作用对生物材料结构、性能和降解过程的影响，及其给细胞行为和组织生长带来的反馈作用；探索各种调控因素在这个复杂过程所起的作用，构建水凝胶的结构、性能和降解机制与细胞行为以及组织生长关系的模型，显著增进我们对细胞如何与周围微环境相互作用，以及这些动态的相互作用在指导干细胞分化、癌症的转移等一些生物问题中所起的作用的理解，为制备能够调控细胞行为并最终能够实现组织修复和器官再生的新型材料提供理论指导。

细胞与细胞外基质之间的相互作用不仅影响细胞行为和组织生长，也是肿瘤发生的基础。本项目以水凝胶为细胞外基质模型，摸索并建立了负载细胞条件下原位研究水凝胶结构、性能和降解动力学的实验方法；深入研究并探讨了模拟细胞外基质不降解或降解速率慢于细胞增殖速率时，对细胞生长和分泌细胞外基质的阻碍作用；将细胞-水凝胶体系的粘弹性能分离为不随细胞数变化、随细胞数变化的线性部分和非线性部分三个分量，建立了研究体外细胞培养的过程中细胞和材料之间的动态相互作用的数学模型。以丝蛋白为基础，研制具有生物相容性的高强度丝蛋白/羟丙甲纤维素水凝胶，深入探讨其优异力学性能的根本原因，建立制备高强度丝蛋白水凝胶的普适性方法；利用金离子对丝蛋白分子链中酪氨酸的氧化作用，一步法制备了丝蛋白金纳米颗粒复合水凝胶，实现对血铅的快速、高灵敏和高选择性的检测。同时设计和构建了多种功能化诊疗平台，用于肿瘤及其微环境的联合治疗和监控。研制了具有两种药物释放行为的水凝胶并将其应用于肿瘤-微环境的联合治疗，实现了肿瘤微环境正常化，并显著提高了抗肿瘤的效果；深入探索了化疗药物联用的治疗体系对于两种药物的长期持续释放、逆转多药耐药性及协同抗肿瘤效果的影响；通过一种新型的Janus纳米粒子负载两种化疗药物，不仅实现了药物联合治疗，而且达到了实时监测活细胞内双药物响应性释放的目的；利用聚多巴胺的广谱吸收能力使其作为一种新型的掺杂试剂，用于一系列半导体聚合物材料，构建自身具有多种诊疗功能的纳米材料。这些研究不仅显著增进我们对细胞如何与周围微环境相互作用，以及这些相互作用对一些疾病过程和细胞形态发生影响的理解，达到构建细胞行为与水凝胶结构和性能动态关系的数学模型的目的，同时也进一步加深了对纳米诊疗药物与细胞和组织之间的相互作用以及纳米药物各功能在肿瘤/微环境一体化诊疗中所起作用的认识，为发展新型诊疗一体化纳米药物创造了良好条件。