高分子表面微圖案技術(shù)研究干細(xì)胞形狀、尺寸和密度對(duì)其分化的影響.pdf

1、細(xì)胞與材料相互作用是生物材料學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和再生醫(yī)學(xué)的一個(gè)基本科學(xué)問(wèn)題，相關(guān)研究對(duì)于生物材料的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。細(xì)胞作為生命活動(dòng)的基本單元，對(duì)單細(xì)胞的研究能直接反映細(xì)胞內(nèi)本質(zhì)的變化。但由于高效的單細(xì)胞研究手段的相對(duì)不足，這方面的進(jìn)展仍然不夠。微米圖案技術(shù)，能在基底上實(shí)現(xiàn)細(xì)胞黏附反差，從而能控制細(xì)胞的定位，經(jīng)調(diào)節(jié)細(xì)胞可黏附區(qū)域即黏附島的大小，可以有效地實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞的黏附，且樣本數(shù)量大，可用于統(tǒng)計(jì)而得到可信的結(jié)論，在對(duì)單細(xì)胞的研究中有很

2、好的應(yīng)用前景。
　　 組織器官不是由單細(xì)胞組成的，而是多個(gè)或多種細(xì)胞及胞外的基質(zhì)等組成的一個(gè)大社會(huì)。細(xì)胞與細(xì)胞之間相互作用也是組織工程中重要的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。多細(xì)胞的聚集程度，即細(xì)胞密度也非常重要。微米圖案技術(shù)，通過(guò)控制細(xì)胞的定位，從而可以有效地控制細(xì)胞與細(xì)胞的接觸、細(xì)胞的聚集程度等，是研究多細(xì)胞之間相互作用的有效手段。
　　 骨髓基質(zhì)干細(xì)胞具有多向分化潛能且易于體外擴(kuò)增，取自成體而不涉及倫理范疇，是組織工程理想的種子細(xì)胞

3、類(lèi)型。干細(xì)胞分化是當(dāng)今自然科學(xué)的研究前沿。
　　 本博士論文選用骨髓基質(zhì)干細(xì)胞為模型，借助高分子基底上獨(dú)到的圖案化技術(shù)來(lái)研究影響干細(xì)胞分化的各種物理因素，包括單細(xì)胞分化的形狀效應(yīng)、尺寸效應(yīng)，以及多細(xì)胞狀態(tài)下干細(xì)胞分化的密度效應(yīng)。
　　 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性工作包含以下幾方面：
　　 1.制備了具有強(qiáng)烈細(xì)胞黏附反差的微圖案化表面的高分子水凝膠，并提出了適于細(xì)胞形狀研究的黏附島面積的判據(jù)以及基于顯微照片統(tǒng)計(jì)干細(xì)胞分化程

4、度的半定量方法。論文工作過(guò)程中制備了聚乙二醇(PEG)水凝膠表面精氨酸-甘氨酸一天冬氨酸(RGD)微圖案，并借助于該高分子強(qiáng)烈抗拒細(xì)胞黏附的特征實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞在黏附島上的良好而持久的定位。在此基礎(chǔ)上，建立了利用圖案化表面的細(xì)胞顯微照片判斷骨髓基質(zhì)干細(xì)胞成骨分化和成脂分化的統(tǒng)計(jì)方法，并且提出了最適于考察細(xì)胞形狀效應(yīng)的細(xì)胞可黏附的微島面積的判據(jù)。這樣，為成功實(shí)現(xiàn)不同形狀和長(zhǎng)徑比的單細(xì)胞的定位，并合理、有效地基于微圖案化表面研究單個(gè)或數(shù)個(gè)干細(xì)胞向

5、成骨和成脂方向分化奠定了方法學(xué)的基礎(chǔ)。
　　 2.揭示細(xì)胞形狀影響干細(xì)胞分化，并發(fā)現(xiàn)對(duì)于骨髓基質(zhì)干細(xì)胞分化存在最佳長(zhǎng)徑比。利用我們課題組發(fā)展的PEG水凝膠表面微圖案化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的長(zhǎng)時(shí)間定位，并在合適條件下持久維持所設(shè)定的圓形、方形、三角形、星形以及不同長(zhǎng)徑比的矩形等一系列不同形狀，揭示細(xì)胞形狀顯著影響干細(xì)胞在成骨/成脂分化液中的分化程度，如：圓形細(xì)胞更易于向成脂肪細(xì)胞分化、星形細(xì)胞更易于向成骨細(xì)胞分化；并且在考察

6、長(zhǎng)徑比效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然成脂分化隨長(zhǎng)徑比增加單調(diào)下降，但是成骨分化隨著長(zhǎng)徑比上升呈現(xiàn)峰值，即，存在最佳長(zhǎng)徑比。
　　 3.系統(tǒng)研究了細(xì)胞尺寸、細(xì)胞接觸和細(xì)胞密度對(duì)于干細(xì)胞分化的影響，利用化學(xué)圖案化技術(shù)解構(gòu)了細(xì)胞密度影響干細(xì)胞分化的內(nèi)在物理因素。論文利用了微圖案化技術(shù)，一種細(xì)胞接種密度下在不同黏附島上實(shí)現(xiàn)了不同的局部密度，并且可以獨(dú)立研究細(xì)胞尺寸、細(xì)胞之間的接觸以及細(xì)胞密度的影響。結(jié)論證實(shí)，細(xì)胞尺寸和接觸都會(huì)影響骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的成骨