定量调控干细胞钙信号的剪应力和生化因子实现途径

干细胞的钙信号动力学特性与干细胞自我更新、多向分化、增殖和凋亡密切相关。本项目探索用外部控制设备动态调节剪应力和生化因子刺激信号、定量调控干细胞内钙信号动力学特性的理论和实验方法。为达到这一目的，首先设计和构建用于干细胞体外培养的微流控芯片及剪应力和生化因子的加载、检测和控制系统；其次，实验研究干细胞在动态剪应力、三磷酸腺苷(ATP)和胞外钙的单独或组合刺激下胞内钙信号响应的动力学规律；在实验数据基础上，建立描述剪应力、ATP和胞外钙单独或组合作用下胞内钙信号响应的多尺度非线性动力学数学模型; 借助于建立的数学模型，设计适当的外部控制器，从理论和实验两方面研究干细胞内钙信号的剪应力和生化因子定量控制。这些工作将为进一步定量研究剪应力和生化因子通过调控干细胞内钙信号特定的动力学特性而影响干细胞的命运提供一定的依据，对细胞力学的发展和完善有学术意义。

本项目探索用外部控制设备动态调节剪应力和生化因子定量调控干细胞内钙信号动力学特性的理论和实验方法。首先，设计和构建了用于干细胞动态培养、并能提供剪应力和/或生化因子加载、检测和控制的微流控芯片系统；其次，研究了动态生化信号在微通道定常流和脉动流中的传输规律，结果表明，微流控通道扮演了低通滤波器的角色，脉动流对动态生化信号有明显的非线性调制作用；接着，实验研究了干细胞/血管内皮细胞在动态剪应力和/或生化因子三磷酸腺苷(ATP)刺激下胞内钙信号响应的动力学规律，结果表明，细胞在不同剪应力和/或ATP刺激下呈现不同的胞内钙动力学行为；然后，建立了描述剪应力和/或ATP作用下干细胞/血管内皮细胞内钙信号响应的多尺度非线性动力学数学模型，结果表明，剪应力直接激活钙通道的机制至关重要，而剪应力诱发ATP释放间接激发胞内钙离子动力学响应的作用几乎可以忽略，从而澄清了关于剪应力激活细胞钙离子动力学响应是直接机制还是间接机制的学术争议；最后，基于建立的数学模型，设计适当的外部控制器，从理论和实验两方面研究干细胞/血管内皮细胞内钙信号的剪应力和生化因子定量控制，结果表明，通过控制剪切力或ATP信号都可较好地实现对血管内皮细胞内钙信号的定量控制。本项目的研究成果不仅为进一步深入研究细胞钙动力学特性与细胞功能的定量关系、同时为通过控制细胞外剪应力和生化因子刺激定量调控细胞功能和行为提供了一种方法基础。