● 摘要
组织工程多孔支架的微观结构对种子细胞的生长具有重要意义，现有研究对支架结构影响细胞的定量化和机理性阐述较为薄弱。我们认为支架内外物质交换效率以及细胞所受的力学刺激是影响种子细胞生长的重要因素。渗透率是衡量多孔介质传质效率的参数。在灌注培养方式下，渗透率是与种子细胞所处的力学环境和传质状况密切相关的参数之一。为此本文研究组织工程支架渗透率对细胞生长的影响。首先，我们利用静态和灌注式培养对支架渗透率在骨组织重建中的作用进行评判，研究结果表明，高渗透率的多孔支架可以增强成骨细胞的增殖、代谢活性以及碱性磷酸酶活性，促进细胞在内部孔洞生长。相比静态培养，灌注式培养明显放大了支架渗透率对种子细胞生长的影响。其次，在灌注式培养条件下，支架渗透率会显著影响细胞所处的力学环境。依据计算机仿真的结果，在相同的灌注流速下，更高的支架渗透率可以使支架内部的应力水平降低，分布更均匀，这种力学环境有助于再生组织的均一性。在上述研究基础上，我们提出一种利用头发丝制备高渗透多孔支架的方法。将少量的头发丝埋在多孔支架基料内，利用头发丝在高温烧结时气化并在支架内部形成微通道的特点，改变孔洞之间连通性，从而提高支架整体的渗透率。结果表明，少量的微通道可以促进多孔支架的渗透率提高数倍，甚至数十倍。因此，多孔支架孔洞的拓扑结构是影响组织体外再生的重要因素，高渗透率的支架材料有利于在其内部维持较低、较均匀的力学环境，并且促进内外物质交换，从而对种子细胞的生长产生积极影响。微血管内皮细胞渗透率对恶性肿瘤的转移起着至关重要的作用。进入血液循环的肿瘤细胞粘附在内皮细胞层是肿瘤转移的关键步骤。正常情况下，内皮细胞之间通过间隙连接蛋白ZO-1和VE-cadherin紧密排列，形成一道严密的防线，抵御肿瘤细胞的粘附和入侵基底组织。很多研究表明内皮生长因子（VEGF）可以促进肿瘤细胞在内皮细胞层的粘附和转移，然而却没有揭示肿瘤细胞粘附的机制。因此，我们通过研究VEGF作用下内皮细胞渗透率以及结构的改变，从而探索肿瘤细胞的粘附机制。首先本文研究发现，多个内皮细胞之间的交角处是内皮层最薄弱的位置，肿瘤细胞的粘附多发生在此处。其次，肿瘤细胞通过分泌VEGF破坏内皮细胞间隙连接蛋白ZO-1和VE-cadherin，从而提高内皮层的渗透率，使其暴露出更多基底层蛋白（如laminin-5等）为肿瘤细胞的粘附提供了更多机会。我们进一步对肿瘤细胞分泌VEGF的机制进行研究，结果表明integrin β4的细胞外粘附部分与基底层蛋白laminin-5之间形成半桥粒连接是促使肿瘤细胞入侵基底组织的关键环节，integrin β4在细胞内的signaling部分不直接影响肿瘤细胞的粘附，但是integrin β4 signaling通过放大癌基因通路ErbB2 signaling促使肿瘤细胞增加对VEGF的分泌；VEGF与内皮细胞表面的VEGFR-2结合后，使得内皮细胞抑制间隙连接蛋白ZO-1和VE-cadherin的表达并促进已有蛋白连接的拆卸，使得内皮层间隙扩大，从而为肿瘤细胞和基底层蛋白之间的相互作用提供了便利。