基底硬度和生长因子对间充质干细胞分化行为的协同调控机制研究

The fate of mesenchymal stem cells (MSCs) is known to be regulated by its surrounding microenvironments, that it has a pivotal role in clinical applications. MSCs situate in a complex microenvironment in vivo, which is composed of various mechanical and biochemical cues. It has been a consensus that MSCs can actively sense and respond to mechanical and biochemical factors separately, but the synergetic effect of mechanical factor and growth factor on MSCs differentiation remain elusive. We develop a novel NIR regulated and inkjet printing based technology for the construction of the cellular mechano-chemical coupling microenvironment to study the synergetic effect of mechanical factor and growth factor on the MSCs differentiation. An integrated mechano-chemical coupling model based on mechanochemical conversion model and chemical signal model will be developed to understand the effect of interplay of stiffness and growth factors (such as TGFβ) on MSCs differentiation at the molecular level. This project will contribute to the understanding of mechanism underlying MSC differentiation and also holds clinical application potential in stem cell therapy field.

细胞微环境调控诱导间充质干细胞(MSCs)分化是当前生物医学领域的研究热点，是实现其临床应用的关键。体内 MSCs 所处微环境非常复杂，涉及多种力学、生化因子(如生长因子)等的协同作用。但现有研究多是考虑单一因素影响，对于力学、生长因子的耦合对 MSCs 分化行为的影响还缺乏系统认识。本项目拟基于近红外光控调节及图案化喷墨打印技术构建细胞力-化耦合微环境，深入研究基底硬度、生长因子(TGFβ)及其耦合对MSCs分化行为的影响规律；通过耦合力信号转导模型和化学动力学模型，建立描述基质硬度与生长因子协同作用下干细胞分化行为的力-化学耦合模型，刻画力学-化学-生物学信号综合调控网络，揭示基底硬度、生长因子耦合作用过程中可能的分子调控机理(胞内生化信号转导通路)，为体外调控MSCs 的定向分化，进而更好地应用于临床发挥其疾病治疗及组织修复功能提供理论指导。

间充质干细胞具有多向分化能力，其可控分化是实现其临床应用的关键。除了生化因子外，越来越多的研究证明力学信号（如基质刚度）也参与调解干细胞的分化。近年来的研究表明基质硬度和生化因子信号传导之间的耦合作用能够调控MSCs的成骨分化，但其潜在的分子机制尚未不清楚。针对上述问题，本项目从实验研究及理论建模两方面分别开展了细胞力学微环境的构建、力学性能的调控和细胞力学生物学行为机制等的研究，取得了如下主要结论：（1）通过集成交联动力学、网络力学和细观力学理论建立了一个整合的力学模型，可以预测各种反应条件下PEG的交联过程和凝胶网络刚度，为分析预测光交联水凝胶的刚度提供了强大的理论工具。（2）建立基于黏附分子键力学理论（molecular clutch）的细胞力-化学耦合模型，并得到了实验的验证，阐明了力学（基质刚度）-生化（炎症因子IL-1β）耦合作用在成骨分化中的作用机制。（3）建立基于黏附分子键力学理论的力信号转导模型，阐明了基质刚度依赖的FAKY磷酸化的分子机制。（4）建立了基于细胞力敏感受体黏附拮抗效应的转录因子重定位模型，提出钙粘素通过拮抗整合素黏附，引致细胞骨架应力卸载，最终导致YAP重定位，从而产生了干细胞分化逆转现象。在本项的支持下，以项目负责人作为通讯作者，在Science Advances (封面)、Nature Communications、Advanced Functional Materials、JMPS和Biophysical Journal（封面）等国际期刊上发表标注基金号论文8篇。在前期研究及该项目研究中取得的关于力学微环境的构建技术以及关于力敏感受体介导细胞功能调控的研究成果，为后续申请并获批的优秀青年科学基金（12022206）奠定了基础。通过项目研究与华盛顿圣路易斯分校Guy M. Genin教授建立实质性合作，联合培养博士研究生3名，硕士生1名。项目负责人在第十三届全国生物力学学术会议上作大会邀请报告；在包括国际理论与应用力学联合会（IUTAM）专题研讨会在内的国际/内会议上作特邀报告5次，分会场召集人1次。项目负责人于2019年申报并入选了西安交通大学青年拔尖人才计划，获得了第十二届陕西省青年科技奖、陕西高等学校科学技术奖一等奖等科研奖励及荣誉。