基底刚度动态变化对干细胞生物学行为的影响及其实验方法的研究

It is tempting to believe that, stem cell research is one of the hot spots of life sciences and medical research in the 21st century. Stem cell growth and differentiation are not only influenced by cells’ internal chemical factors, but also are closely related to external biomechanical environmental factors. It has been found that the spreading and directed differentiation of adherent stem cells can be modulated by the materials with different stiffness, but the stiffness of these substrates is almost static and invariable, short of dynamic characteristics, and many cell processes are accompanied by dynamic stiffness changes in the surrounding matrix environment. This project proposes that we can take magnetic hydrogel as a substrate of adherent culture and dynamically regulate the stiffness of the magnetic gel substrate in real-time under the action of an external magnetic field. After the establishment of a cell mechanics experimental method and platform in which the substrate stiffness can be dynamically regulated, we can study the stem cells’ biology with dynamic changes in the substrate stiffness, including their spreading and differentiation behaviors. This project simulates the biomechanical environment in vivo through dynamically regulating the substrate stiffness. It can offer a better reflection of the dynamic and natural life processes of tissue, such as tissue development, wound healing and disease formation. These studies allow for a better understanding of physical effects of the microenvironment in the organism and promote the application of stem cells in biomedicine. While providing a new means for cell biology, it promotes the development of experimental mechanics methods as well.

诱人的前景使干细胞的研究成为21世纪生命科学和医学研究领域的热点之一。干细胞的生长和分化不仅受细胞内部化学因素影响，更与细胞外界力学环境因素息息相关。已经发现通过使用不同刚度的材料能够控制干细胞的铺展和定向分化，但是这些基底的刚度几乎都是静态不变的，缺乏动态特性，而细胞的很多生命过程都是伴随着周围基质环境的动态变化。本项目提出利用磁性水凝胶作为细胞培养的基底，通过施加磁场实时动态调控磁凝胶基底的刚度，建立基底刚度可以动态调控的细胞力学实验方法和实验平台，研究干细胞在基底刚度实时动态变化情况下的生物学响应，包括其铺展和分化等行为。本项目通过动态调控基底的刚度来模拟体内生物力学环境，可以更加真实的反应组织的动态自然的生命过程，如组织发育、创面愈合和疾病形成，这对理解有机体内微环境的物理效应和促进干细胞在生物医疗方面的应用有重要意义，并在为细胞生物学研究的同时，促进实验力学方法向前发展。

干细胞的生长和分化不仅仅受细胞内部化学因素的影响，更与外界动态力学环境息息相关。近些年的研究表明，干细胞的生物学行为可以由基质的机械特性来引导。但这些研究中基质的机械特性几乎都是静态不变的。而人体中细胞的很多过程都是伴随着周围基质力学环境动态变化的。因此建立基质刚度动态可调的干细胞培养系统以模拟体内力学环境来研究这些动态生物过程是十分必要的。. 本项目研制了一种全新的磁纳米复合水凝胶，在外界磁场作用下，其刚度会随之增强，此时Fe3O4 磁纳米颗粒(Fe3O4 MNPs)的排列紧密有序，并且水凝胶的孔径也会变小。进一步的发现：预结构化处理对刚度的响应没有影响；刚度的响应随着Fe3O4 MNPs粒径的增大而增大；而随着Fe3O4 MNPs的质量分数的增加，刚度的响应先增大，再减小。基于此，获得了磁纳米复合水凝胶的最优化参数。在外界磁场作用下，其刚度范围可以达到0.3-20kPa，增长量最大可以达到17kPa以上，增长百分比可以达到1500%以上，并拥有良好的重复性。. 将干细胞培养在磁纳米复合水凝胶上，研究了动态变化的生物力学环境对生物学行为的影响。实验发现，由于磁纳米复合水凝胶对外界磁场的响应导致刚度的增加，干细胞会随着时间的推移在水凝胶上铺展迁移，其形状逐渐从圆形向纺锤形转变，表现出典型的人脐带间充质干细胞的形态。.提出了基于单层荧光颗粒的快速定量细胞与基底三维作用力的快速三维牵引力显微镜技术，能够快速定量细胞三维牵引力。基于此方法，首次揭示了细胞有丝分裂过程中，细胞与基底之间的三维相互作用力，并且具有高时空分辨率。. 这些研究对理解生命体内的力学微环境以及促进干细胞在生物医疗方面的应用有重要意义。同时这一技术也为干细胞的生物学行为提供了一个新的研究方法，该方法一方面可以通过刚度动态可调的基质有效地培育干细胞并控制其生物学行为，另一方面促进了基于磁纳米复合水凝胶的干细胞培养平台在生物医学领域和临床治疗方面中的应用。