基底刚度与表面纳米形貌对细胞粘附影响机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11272015
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    90.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A1002.多尺度力学生物学
  • 结题年份:
    2016
  • 批准年份:
    2012
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2013-01-01 至2016-12-31

项目摘要

Cell-matrix interfacial adhesions are crucial for many biological functions and processes, which also play a key role in cell sensing microenvironment. While both substrate stiffness and surface nanotopographic property have been approved capable of regulating cell adhesion, the coordination of their effects on the formation and kinetics of cell-matrix adhesion, from an experimental viewpoint, is far from being understood. The underlying biophysical mechanism of how substrate stiffness and surface characteristics co-act with each other in mediating cell adhesion still remains elusive. This project aims to quantitatively study the influence of substrate with tunable stiffness and nanostructured surface on cell adhesion. By means of nanolithography, a type of soft polymeric material as cell culture substrate will be fabricated, onto which the nanoislands with different size are replicated from etched Si molds. Also, the Young's modulus can be controlled via changing the ratios of curing agent to the monomer of the polymer. Combined with visualization of some key proteins involved using immunofluorescence labeling, dynamic features of cell-substrate adhesion will be monitored to investigate in response to extracellular environment with different rigidity and roughness. Particularly, cell adhesion strength will be measured by utilizing the well-developed micropipette to detach cells from the substrates. Accordingly, a biophysical model is developed to provide an insight into the regulation of cell-matrix interactions by both substrate stiffness and nanometric scale topography. Based on this theoretical analysis, Monte Carlo simulations will be performed to characterize cell-substrate adhesions with varying substrate elasticity and surface nanotopography. Likewise, the simulation results will be evaluated with experimental data. This work is expected not only to help our understanding of how cells react to complex substrate physical environment but also to provide useful guide on design of biomaterials for future development of tissue engineering and regenerative medicine.
细胞与胞外基质(extracellular matrix)之间的粘附在细胞感知外界环境的过程中扮演关键角色。目前已知基底刚度和表面纳米形貌能够调控细胞粘附动态,但两者在此过程中的耦合作用机制仍不清楚。本项目拟采用弹性模量可调的生物相容性材料并结合纳米加工技术,制作具有不同刚度和表面纳米结构的培养基底,考察基底刚度和表面纳米形貌特征对于细胞粘附行为的耦合影响;由细胞粘附结构的微观力-化学平衡关系出发,建立两种因素协同作用于细胞粘附过程的分析模型,基于蒙特卡洛模拟方法,探究其内在统一的微观生物物理机制;结合相关生物学实验,探索细胞感知基底刚度和表面纳米结构过程中可能的胞内生化信号转导通路。本项目的结果将有望为体内种植材料和组织工程支架材料的优化设计提供理论分析依据和模型。

结项摘要

细胞与材料的相互作用是生物材料、组织工程研究中的一个基础问题,材料的物理化学性质已被证实是调控细胞功能的重要因素,但其协同作用效果和机理还不清楚。项目开展了基底刚度和表面纳米理化性质(纳米材料、纳米形貌、纳米图案等)调控细胞生物学功能的研究。发现基底刚度及表面纳米形貌会影响成纤维细胞黏附铺展动力学;建立蒙特卡洛模型定量研究基底刚度及纳米图案在细胞初始粘附成核过程中的作用,发现配体间距大于某一阈值(大约60nm)时,整合素成簇会急剧下降,还发现在配体间距小的情况下,基底刚度的增加促进了整合素成簇,这些模拟结果可以很好地解释当前的实验结果;发现基底刚度可以调控B淋巴细胞的免疫激活、增殖、类别转换及体内体内T细胞非依赖的抗体反应;发现单层石墨烯在体内和体外条件下均可促进人间充质干细胞的成骨向分化,石墨烯的成骨分化能力是通过上调成骨相关基因启动子区域H3K4的甲基化水平来实现的;成纤维细胞在石墨烯基底上的黏附和铺展受基底刚度影响,硬基底上的黏附、增殖好于软基底。这对深入理解材料与细胞的相互作用,指导生物材料的优化设计有着重要意义。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(2)
专利数量(0)
Single-Layer Graphene Enhances the Osteogenic Differentiation of Human Mesenchymal Stem Cells In Vitro and In Vivo
单层石墨烯增强人间充质干细胞体外和体内的成骨分化
  • DOI:
    10.1166/jbn.2016.2254
  • 发表时间:
    2016-06-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF BIOMEDICAL NANOTECHNOLOGY
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Liu, Yunsong;Chen, Tong;Zhou, Yongsheng
  • 通讯作者:
    Zhou, Yongsheng
Mechanical characterization of cancer cells during TGF-β1-induced epithelial-mesenchymal transition using an electrodeformation-based microchip
使用基于 electroformation 的微芯片在 TGF-β1 诱导的上皮间质转化过程中癌细胞的机械特征
  • DOI:
    10.1016/j.snb.2016.08.104
  • 发表时间:
    2017-03
  • 期刊:
    Sensors and Actuators B: Chemical
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Yao Teng;Mingshu Pang;Jianyong Huang;Chunyang Xiong
  • 通讯作者:
    Chunyang Xiong
A simple magnetic force-based cell patterning method using soft lithography
使用软光刻的简单的基于磁力的细胞图案化方法
  • DOI:
    10.1007/s11427-014-4748-5
  • 发表时间:
    2015-02
  • 期刊:
    Science China Life Sciences
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Guido, Isabella;Wang Lili;Ge ZiGang;Xiong ChunYang
  • 通讯作者:
    Xiong ChunYang
B Cell Activation Is Regulated by the Stiffness Properties of the Substrate Presenting the Antigens
B 细胞激活受呈递抗原的基质的硬度特性调节
  • DOI:
    10.4049/jimmunol.1202976
  • 发表时间:
    2013-05
  • 期刊:
    The Journal of Immunology
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Zhang, Huiyuan;Han, Weidong;Xiong, Chunyang;Liu, Wanli
  • 通讯作者:
    Liu, Wanli
Substrate stiffness promotes latent TGF-β1 activation in hepatocellular carcinoma
基质硬度促进肝细胞癌中潜在的 TGF-β1 激活
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Biochemical and Biophysical Research Communications
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Jianyong Huang;Yuan Yuan;Feng Lin;Chunyang Xiong
  • 通讯作者:
    Chunyang Xiong

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其他文献

应用电化学测菌法检测牙龈卟啉单胞菌的初步研究
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    --
  • 发表时间:
    2011
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    裴振华;朱涛;施生根;温颖;汤楚华;熊春阳
  • 通讯作者:
    熊春阳
高分辨率细胞牵引力频域反演技术
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    医用生物力学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李姗姗;黄建永;邓昊;庞明姝;彭小玲;熊春阳;方竞
  • 通讯作者:
    方竞
细胞牵引力显微镜反演方法研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    实验力学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    黄建永;邓昊;彭小玲;李姗姗;熊春阳;方竞
  • 通讯作者:
    方竞

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    青年科学基金项目

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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