基底拓扑结构对细胞生物学行为的影响

基底拓扑结构是调控细胞生物学行为的重要因素之一。越来越多的研究表明人工构建的基底拓扑结构对工程化控制体外细胞培养的微环境、探究细胞与基底相互作用机理及医学植入物表面处理具有重要意义,然而,尽管关于该主题已发表了大量论文,但是由于细胞类型、基底材料、几何形状和测量参数等的差异,很难建立基底拓扑结构对细胞行为影响的显著趋势。本文梳理了基底拓扑结构的常用制造工艺,分析了不同基底拓扑结构对不同细胞的形态、迁移、增殖和分化的影响,讨论了可能存在的分子响应机理,以期对细胞力学的学术研究提供新的视角和基础资料。

阵列型微拓扑结构基底的制备及其对神经细胞电生物物理特性的影响

以紫外光光刻、硅蚀刻及软光刻技术制备了微柱阵列型细胞培养基底。实验发现,在4μm的结构高度下,当微柱特征尺寸大于或等于4μm时,该法能制备结构规整清晰的聚二甲基硅氧烷微柱阵列型基底。特征尺寸为2μm的基底已经接近该法的极限加工能力,所加工的微柱阵列出现倒伏或缺失。采用一种简单的倾斜角法可以制备一种聚苯乙烯微球致密阵列型基底。该基底的微球直径可以小至2μm或亚微米尺度。细胞培养实验发现,拓扑结构基底能促进神经细胞粘附与铺展,影响细胞静息电位水平,增强电压依从式钙通道功能响应。阵列型拓扑结构基底为构建传感器细胞微环境提供了有效的工程化手段。

基底微拓扑结构对细胞生物学行为的影响

与常规的细胞体外培养器皿不同,细胞在体内生长时,其微环境并不是简单的平面形式,每一种组织都有其特定的三维微结构。这类具有微结构的微环境是细胞增殖、分化的重要调控因子。近年关于基底微拓扑结构影响细胞生长、分化等行为研究的文献迅速增加。研究发现,具有微拓扑结构的基底可改变细胞的铺展、迁移、取向等行为,引导细胞骨架的重排,调控干细胞分化潜能,相关研究对于体外组织构建以及医学植入材料的表面处理具有指导性意义。本文就有关基底微拓扑结构影响细胞生物学研究的最新进展进行了综述。

PDMS微柱阵列型拓扑结构基底对肝癌细胞HepG2形态及功能基因表达的影响

基于硅蚀刻及软光刻复制模塑技术,制备了4种聚二甲基硅氧烷（PDMS）微柱阵列型拓扑结构基底,其微柱名义直径为4μm或10μm,名义间距为4μm或7μm,名义高度为4μm。考察了人肝癌细胞株HepG2在拓扑结构基底与PDMS平面基底上的形态、生物合成和解毒相关分子标志物的分泌/表达。采用扫描电镜和相差显微图像分析发现,HepG2细胞接种于拓扑结构基底较之于平面基底上出现明显的形态铺展和极化程度变化。以ELISA检测显示,HepG2细胞在拓扑结构基底上的白蛋白分泌水平高于平面基底上的相应分泌量。用实时荧光定量PCR评价相关基因表达,发现HepG2细胞于拓扑结构基底上培养1-3天后,白蛋白、细胞色素P450第一家族A亚族蛋白多肽1和2（CYP1A1和CYP1A2）的mRNA表达量,高于平面基底上的相应表达值。在所研究结构尺寸范围的拓扑结构基底上,HepG2细胞较大的铺展面积和细胞圆度值以及较小的细胞长/短径比值伴随着较高的白蛋白分泌/表达量;较小的铺展面积和细胞圆度值以及较大的细胞长/短径比值却伴随着较高的CYP1A1和CYP1A2表达量。这些结果表明,基底拓扑结构是影响HepG2细胞形态及功能的重要微环境因素,并可成为基于肝细胞的反应器与微系统培养环境设计和细胞功能表型优化的有效工程化手段。