非糖基化交联后基质刚度变化对角膜基质重塑的调控机理研究

Corneal Collagen Cross-linking (CXL) is a new keratoplasty for keratoconus in recent years. The corneal tissue strength is improved to resist the cornea deformation by cross-linking the collagen in corneal stroma. But this alters the mechanical microenvironment where the keratocytes survive. The interaction between the keratocytes and the mechanical microenvironment is associated with the corneal tissue repair after CXL. Our previous studies have demonstrated that corneal fibroblasts responded to mechanical stimulus by regulating matrix synthesis behavior. Therefore, the aim of this project is to investigate the mechanism of the corneal tissue repair after CXL. Ribose will be used to cross-link collagen hydrogel to establish a 3D culture environment for keratoconus keratocytes in vitro. We plan to investigate how collagen cross-linking influence the keratocytes biology behavior, and how the matrix stiffness and keratocytes interact with each other. The possible molecular biology mechanism of how matrix stiffness directs the keratocytes to influence the matrix remodeling process will also be explored. The results of this study will not only improve our understanding of the corneal tissue repair process of the keratoconus after CXL, but also provide reference to the safety evaluation and effectiveness of clinic CXL surgery.

角膜胶原交联术（CXL）是近几年应用于临床治疗圆锥角膜的一种角膜成形术。胶原交联后使角膜抵抗变形能力增强，角膜基质内的应力状态进行了重新分布，细胞生存的力学微环境发生了改变。基质细胞-力学微环境之间的相互调控则与CXL术后角膜损伤修复密切相关。课题组前期研究发现角膜基质细胞能够通过调节基质合成行为对力学刺激作出响应，在此基础上，本项目拟从以下方面展开CXL术后角膜基质损伤修复机制的研究：采用核糖对胶原水凝胶进行非酶糖基化交联，体外模拟CXL术后圆锥角膜基质细胞生存的三维环境；研究基质刚度对角膜基质细胞行为的调控效应；寻找基质力学性能变化与基质细胞行为之间的相互作用关系；探索力学微环境变化调控角膜基质重塑的分子生物学机制。本项目研究结果不仅可以加深我们对CXL术后圆锥角膜的损伤修复的认识，还可为临床CXL术的安全性评价及疗效提供参考。

角膜胶原交联术（CXL）是近几年应用于临床治疗圆锥角膜的一种角膜成形术。胶原交联后使角膜抵抗变形能力增强，但使得角膜基质细胞生存的力学微环境发生了改变。角膜基质细胞与力学微环境之间的相互作用与CXL术后角膜损伤修复密切相关。本项目针对这一问题开展了以下研究：. 提取并培养了圆锥角膜患者角膜成纤维细胞，制备了胶原水凝胶，采用核糖进行了交联，获得了非酶糖基化交联后胶原水凝胶超微结构与力学特性之间的关系：胶原水凝胶拉伸模量随核糖浓度增加而增加，并与胶原纤维直径呈正相关；检测了不同培养时间对二维及三维水凝胶环境中生长的细胞活性、增殖、铺展以及骨架重排情况：随着核糖浓度增加，细胞铺展面积、核铺展面积减小，肌动蛋白发生重排。细胞由梭形向多枝状转换；制备了不同刚度的PDMS胶，并对基底表面进行了非酶糖基化交联的胶原裱衬，比较了同一刚度PDMS基底不同胶原交联程度裱衬、不同刚度PDMS同一胶原交联裱衬对细胞形态和骨架重排的影响，探索了糖基化交联水凝胶的空间结构和基底力学特性对圆锥角膜成纤维细胞行为影响的贡献：在较软的基底下，胶原的空间结构对细胞形态和骨架重排影响更大，而在较硬的基底下，胶原的空间结构对细胞形态和骨架重排影响不明显；ERK和Rho参与了角膜成纤维细胞在胶原水凝胶上的增殖和应力纤维的形成。本项目研究结果不仅可以加深我们对CXL术后圆锥角膜的损伤修复的认识，还可为临床CXL术的安全性评价及疗效提供参考。