仿生微环境诱导单种细胞间质转化制备内皮/平滑肌复合仿血管植入材料的研究

Development of new method to get both endothelial cells (ECs) and smooth muscle cells (SMCs) from one single cell type could significantly improve the researches in tissue engineering blood vessels (TEBVs). Mature ECs have the potential to trans-differentiate into SMCs via Endothelial-to-Mesenchymal Transition (EndMT). It was reported that biological molecules and mechanical properties of the cellular microenvironment are two key factors for EndMT. In this project, we introduce the ferrocene-cyclodextrin host-guest interaction into a multilayer film via layer-by-layer self-assembly. The stiffness of the films could thus be modulated by electrical potential because of the ferrocene-cyclodextrin host-guest interaction. The effects of film's stiffness on ECs' behaviors will be investigated. Furthermore, the growth factor will be incorporated into the films through electrostatic adsorption, and the coordinate effects of growth factor and films' stiffness on EndMT from ECs to SMCs will be intensively investigated. Finally, based on these results, a biomimetic structure of ECs/SMCs will be constructed via special design of asymmetric films. We believe that this project will shed light on the mechanism of the trans-differentiation by coordination of growth factor and multilayers' stiffness, and provide a new possibility for TEBVs.

寻求新的材料细胞体系，由单种细胞出发实现内皮/平滑肌双细胞的仿血管组织，能够促进组织工程血管领域的快速发展。成熟内皮细胞具有潜在多能性，在细胞微环境中特定生物分子和物理机械性质的协同作用下，能够通过内皮细胞间质转化，转分化为平滑肌细胞。以此为启示，本项目研究将静电层状涂层技术与二茂铁-环糊精主客体作用相结合，利用该主客体作用的电刺激响应特点，制备电化学为调控手段的可控硬度涂层。研究开展涂层硬度对内皮细胞行为的影响规律；并将特定生长因子修饰于涂层中，研究生物分子和涂层硬度协同作用对内皮细胞间质转分化为平滑肌细胞的基本规律和内在机理，建立内皮间质转化的仿生微环境定量化数据。并据此设计和构建不对称结构的材料界面体系，由单种内皮细胞出发，制备仿生内皮/平滑肌复合双细胞层状模型，为设计安全有效的组织工程血管提供新途径和可行的科学方案。

心血管疾病已成为当前人类健康的“头号杀手”，发展人工血管等医用植入装置成为治疗心血管疾病的重要手段。研究材料表界面性质对包括内皮细胞和平滑肌细胞在内的血管细胞的影响规律，并将其应用于材料的设计，是获得安全有效的血管医用装置的必经之路。本课题研究材料表面硬度对内皮细胞行为的影响，并探索通过内皮细胞获得含平滑肌细胞的类血管组织结构。我们具体开展了：1）具有硬度可控的层状涂层的设计和构建。重点为构建电化学可控的涂层硬度，并发展多种策略的涂层硬度调控体系，为对内皮细胞行为的调控提供更为丰富的研究平台。2）涂层的硬度对内皮细胞行为的影响。重点研究了内皮细胞间质转化行为。此外，我们还进行了对内皮细胞其它各种行为的研究，例如抗凝血功能等。3）涂层的硬度等物理因素和生物分子因素对内皮细胞和平滑肌细胞行为的影响，着重两种因素分别以及协同对提升内皮细胞生长的研究。4）内皮细胞和平滑肌细胞的双层细胞结构构建，尝试了将两种细胞复合，从而模拟血管的细胞层结构。5）探索调控内皮细胞与平滑肌细胞生长竞争性的研究，我们以内皮细胞和平滑肌细胞为比较对象，研究通过多种物理和生物的策略促进内皮细胞的竞争性生长。通过4年的课题研究，我们完成制备了数种能够调控表面硬度的涂层策略，能够对内皮细胞的多种行为产生可控的影响。针对内皮细胞间质转化，我们发现并证明涂层较高硬度促进内皮细胞的间质转化，而低硬度涂层有利于维持内皮细胞表型。我们尝试并构建了基于内皮细胞和平滑肌细胞的双细胞层结构，为组织工程人工血管材料的设计提供了有益的科学思路和可靠的制备参数。根据这些研究成果，发表SCI论文20篇，授权国家发明专利2项，培养毕业硕士和博士研究生各2名。