牙周膜-牙槽骨界面基质刚度梯度调控间充质干细胞免疫表型的力学生物学机制

目的在人体软-硬组织界面中,细胞尺度基质刚度梯度是细胞普遍经历的关键生物物理因素之一,其在发育和组织稳态中起重要作用。然而,目前细胞尺度基质刚度梯度对细胞行为和功能的影响研究甚少,如对间充质干细胞(MSCs)的免疫调节作用尚不清楚。本研究以牙周膜(PDL)-牙槽骨(AB)界面为例,研究基质刚度梯度调控MSCs免疫表型的作用和机制。方法表征健康和牙周炎大鼠PDL-AB界面微环境,包括矿物含量、胶原纤维排布和含量及MSCs免疫表型;基于微模塑技术开发双层聚丙烯酰胺水凝胶平台构建细胞尺度基质刚度梯度;通过实验和数理建模揭示基质刚度梯度调控MSCs免疫表型的潜在机制。结果牙周炎大鼠PDL-AB界面刚度梯度强度(SGS)明显低于健康组,这主要由于界面处存在低矿物含量梯度,且界面MSCs表现明显抗炎表型(即MSC2)。体外构建高SGS和低SGS基质,低SGS基质通过降低细胞极化诱导MSCs呈现更显著抗炎表型。潜在力学生物学机制可能与整合素β1簇和肌球蛋白ⅡB极化减少,导致H4K16ac定位依赖的染色质重塑,有助于TLR3基因表达密切相关。结论牙周炎大鼠PDL-AB界面MSCs通过调节细胞极化响应界面处低SGS并诱导其呈现抗炎表型。本研究为牙周组织工程和其他再生医学应用中合理设计软-硬组织界面的仿生策略提供指导。

牙周软-硬组织界面梯度力学微环境调控MSCs免疫表型的机制

牙周组织主要由牙骨质(硬)-牙周膜(软)-牙槽骨(硬)复合体组成,其中牙周膜-牙槽骨组织界面是功能发挥的关键因素之一。然而,临床治疗仍无法在缺损区重建出牙周膜-牙槽骨组织界面的生理结构和功能。目的表征牙周膜—牙槽骨组织界面的组成、结构和力学特性,探究炎症时该界面力学微环境调控间充质干细胞(MSCs)免疫表型的机制。方法使用拉曼光谱、原子力显微镜、多重免疫组化技术表征健康、牙周炎SD大鼠的组织界面力学微环境和MSCs免疫表型。其次,制备刚度梯度细胞培养平台,模拟在体组织界面MSCs刚度梯度微环境。最后,基于细胞培养平台,结合免疫荧光和力学模型,阐明刚度梯度调控MSCs免疫表型的分子机制。结果组织界面存在细胞尺度的刚度梯度,牙周炎会导致组织界面刚度梯度强度(SGS特征)降低,且组织界面处的MSCs具有MSC2表型(抗炎表型)。其次,SGS特征通过细胞极化调控MSC2表型。最后,发现SGS特征通过整合素和肌球蛋白ⅡB极化以及细胞核力学转导调控MSC2表型的关键力学生物学机制。结论牙周膜-牙槽骨组织界面存在细胞尺度的刚度梯度,SGS特征通过调控MSCs细胞极化影响MSC2表型。这项工作为组织工程和再生医学应用中合理设计软—硬组织界面的仿生策略提供了指导。

基质刚度调控糖酵解影响皮肤鳞癌进展的研究

目的皮肤鳞癌作为最常见的非黑色素瘤皮肤肿瘤之一,伴随其进展的基质刚度增加会导致恶性转移的发生并严重影响患者预后。肿瘤细胞为了满足快速增殖和转移的需求,通常会重编程自身能量代谢以供给足够的能量和生物分子。然而,对糖酵解在基质刚度调控下的皮肤鳞癌进展目前仍认识有限。方法构建不同刚度的聚丙烯酰胺(PA)水凝胶体外模型和皮肤鳞癌在体动物模型,观察基质刚度对皮肤鳞癌细胞增殖、迁移和EMT表型及有氧糖酵解能力的影响;通过细胞和分子生物学手段调控细胞FAKYAP机械转导信号通路,探究基质刚度通过糖酵解调控皮肤鳞癌进展的分子生物学机制;通过在体和体外抑制糖酵解和基质刚度硬化,验证糖酵解在基质刚度调控肤鳞癌进展中的作用。结果高基质刚度通过提高皮肤鳞癌细胞糖酵解增强细胞的增殖、迁移和EMT表型转变;基质刚度通过FAK-YAP通路调控皮肤鳞癌细胞糖酵解;抑制皮肤鳞癌细胞的糖酵解可以有效遏制皮肤鳞癌进展。结论高基质刚度通过增强糖酵解并促进皮肤鳞癌进展。

多边形磁性纳米颗粒在旋转磁场作用下产生机械力抑制肿瘤生长

目的铁基磁性纳米颗粒与旋转磁场耦合产生的机械力能够杀伤肿瘤细胞抑制肿瘤生长。肿瘤干细胞对常规化疗和放疗所表现出的固有抵抗性是导致肿瘤复发和转移的重要因素。本研究设计并合成能够选择性靶向胃癌干细胞的铁基磁性纳米颗粒,并阐明在15 Hz旋转磁场下产生的机械力对胃癌干细胞的作用机制,同时评估机械力对肿瘤生长的抑制情况。方法首先,采用短期顺铂预处理与无血清培养相结合的方法筛选出胃癌干细胞并验证其干性。采用热分解法合成直径为90±9 nm饱和磁化强度为79.9 emu/g且具有钝角结构的多边形磁性纳米颗粒随后将CD44抗体和细胞穿膜肽修饰到纳米颗粒上使其具有靶向性。结果和结论体外细胞实验证明该纳米颗粒能够选择性地靶向胃癌干细胞在15Hz旋转磁场作用下产生机械力导致细胞膜和线粒体结构被明显破坏且细胞内出现铁死亡现象这些因素最终导致胃癌干细胞凋亡。此外,该多边形磁性纳米颗粒表现出良好的生物相容性,并在体内实验中显著抑制肿瘤生长。综上所述,本研究为机械力干预肿瘤生长提供了一个有前景的途径。

扫描电化学显微镜在生物医学领域的应用研究进展

研究病变细胞和组织的异常表现可为理解重大疾病发生发展的病理机理和新型药物筛选提供重要参考.扫描电化学显微镜(Scanning electrochemical microscopy,SECM)是一种基于电化学原理的扫描探针显微镜,通过记录探针在样品表面扫描时的电流或电位等信息,对活细胞的形态和多种化学信息进行原位、实时、精准表征.近10年来,SECM在重大疾病相关的细胞、细胞球和微组织层次的应用研究得到快速发展.本文从与疾病相关的SECM研究角度入手,分别从单细胞、细胞球和微组织层次小结SECM近10年来在生物医学领域的应用研究进展.首先介绍SECM的仪器组成、探针种类和工作模式,其次分别介绍SECM在神经细胞、心肌细胞和肿瘤细胞的应用进展,之后介绍SECM近期在细胞球和微组织的最新应用,最后提出并展望SECM技术在生物医学领域进一步应用所面临的挑战和发展方向.

考虑细胞外基质刚度的神经轴突力学模型

细胞外基质在神经系统发育和再生过程中起到关键作用,其力学特性的非正常变化与神经系统疾病的发生发展密切相关.神经元利用其轴突末端生长锥感知细胞外基质力学特性,进而产生定向迁移行为.本文通过建立细胞黏附依赖的神经轴突力学模型,探究了细胞外基质刚度影响神经元定向迁移行为的分子机制.通过描述细胞黏附分子结合-解离过程、肌动蛋白激活-收缩及轴突生长等动力学过程,刻画了神经轴突、生长锥及细胞外基质之间的力学相互作用过程.理论结果揭示了不同种类神经元力敏感行为差异性产生的分子机制,阐明了基质刚度对神经轴突生长的影响规律.综上,本文通过建立神经轴突力学模型,对神经元感知细胞外基质刚度的生理行为进行了定量化描述,从力学角度描述了“轴突-生长锥-细胞外基质”相互作用过程,为神经再生和修复提供了潜在理论依据.

机器学习在即时诊断中的应用进展

即时诊断凭借廉价、快速、方便和准确的特点已成为疾病诊断的一大趋势.机器学习方法的应用大大提高了即时诊断的数据处理能力,使即时诊断焕发新的生机.目前,随着智能手机等智能电子设备的普及,由即时诊断设备、智能电子产品和云端构成的物联网系统已经逐步成为现实.本文概述了机器学习算法的基本原理并阐述了其在即时诊断中的优势,着重介绍了机器学习在即时诊断中的应用现状,涵盖纸基即时检测、微流控检测和可穿戴设备等领域,并给出了根据即时诊断数据形式和检测目标选择机器学习算法的相关建议.未来以智能电子设备为平台并基于机器学习算法的即时诊断方法将成为新的趋势.