支架提供的结构性微环境调控肌腱干细胞分化的效应和机制研究

Recent studies reveals that the topography and rigidity of the extracellular microenvironment plays an important role in cellular activity, from attachment and morphology to proliferation and differentiation though contact guidance. The effect and mechanism of bioscaffold provided structure niche on tendon stem cell differentiation has not been investigated. The new materials-based approach aims to control stem cell behavior by mimicking the characteristics of natural ECMs. This program based on our pilot studies about interaction between stem cell and biomaterials, aimed to develop a biomimetic scaffold for tendon differentiation and tissue engineering. Firstly, we will determine the effects of different nanotopography and rigidity on the differentiation of tendon stem cells (TSCs) in vitro, in order to optimize the proper structure niche for tenogenesis. Secondly, how does the integrin mediated mechanotransduction pathway participate in the matrix-determined differentiation will be clarified, especially the BMP-Smad signaling pathway. We try to explore the structure niche effect on the integrin-beta1 and BMPR, which could inhibit bone differentiation. Then, in vivo experiment will be preformed to evaluate the utility and efficacy of bioscaffold physical signal on tendon repair. In conclusion, this study focus on investigating ideal scaffold properties, which provides an instructive microenvironment for stem cell differentiation to teno-lineage, and exploring the mechanism of matrix-induced stem cell commitment in order to lead to the development of desirable engineered tendons.

组织工程支架不仅为细胞的分化和移行提供附着和支撑功能，近期研究显示支架的物理特性还会明显影响干细胞的分化。本实验组前期的研究发现，细胞外基质的排列显著影响了干细胞的腱系和骨系分化，并且与整合素有关（Biomaterials 2010）。因此，本课题在此基础上进一步研究细胞结构性微环境（支架微细排列和硬度）对整合素的作用，结合BMP受体通过脂筏内吞参与调控Smad亚型的选择性激活或抑制，诱导肌腱干细胞的特异性分化。本研究拟结合现有的干细胞生物学、材料工程学和组织工程学手段，探索细胞外结构性微环境刺激对于肌腱干细胞自我更新和分化的效应，以及integrin-BMP-Smad通路如何参与物理特性诱导细胞分化的调控机制。预期本研究发现将进一步阐明细胞外基质调控腱系分化的分子机制，并为肌腱组织诱导性的功能支架的设计提供实验基础和全新的思路。

组织工程支架不仅为细胞的分化和移行提供附着和支撑功能，近期研究显示支架的物理特性还会明显影响干细胞的分化。本课题在前期研究基础上进一步研究细胞结构性微环境（支架微细排列和硬度）对诱导肌腱干细胞的特异性分化并研究其机理。.已发表SCI论文15篇，其中影响因子>5的10篇，第一及通讯作者10篇，申请1项发明专利，已超额完成预期目标，相关研究内容获2014年度（2015.1获奖）教育部自然科学二等奖。申请人在资助期间获得国家基金委优秀青年基金资助。.研究创新点.1）平行纳米结构能有效诱导干细胞特异向肌腱分化成熟，而无序纳米结构则促进骨分化，建立利用材料拓扑结构体外分阶段诱导iPSC向肌腱分化模型，并发现物理微环境诱导的肌腱分化与integrin相关（Zhang C et al. Biomaterials 2015）。无序纳米纤维材料诱导骨化与smad1/5/8磷酸化相关（Liu HH et al. Biomaterials 2013) .2）构建了不同硬度及排列肌腱诱导材料，发现并验证0.25Mpa硬度的环境是肌腱干细胞维持表型与诱导分化的最佳硬度。.3）通过干细胞在材料上的分化，发现无序排列则通过smad1/5/8的影响诱导干细胞向分化（Biomaterials, 2013）。利用不同硬度诱导肌腱干细胞分化的模型，筛选出肌腱特异的integrin（am，b2等）决定了肌腱干细胞向肌腱分化，并发现integrin am与脂筏蛋白有共定位，可能对肌腱分化与细胞外信号的转导相关，需要进一步实验证实。.4）基于以上结果，我们进一步发现支架在体内仍具有诱导组织分化成熟的能力，具有平行微结构的支架，在体内也能有效诱导肌腱组织，而无序微结构的支架则诱导骨组织的形成。（Yin Zi et al. Biomaterials2015）。.研究成果对构建肌腱诱导性生物支架和解析肌腱再生相关的科学问题提供了相应的理论基础。