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力学微环境的改变在很多疾病的发生发展中起到了重要作用。细胞能够响应力学微环境的改变进而激活胞内的多条信号通路,这些信号通路的诱导激活在决定细胞命运的过程中扮演着重要角色。肺纤维化疾病是一种发病率和死亡率都很高的疾病,其主要特点是肺部组织的实质性破环和细胞外基质(ECM)的异常过度沉积进而导致细胞外基质的力学微环境发生改变,目前肺纤维化疾病的发病主要原因仍然不详且缺乏有效的治疗手段。已经有研究发现,上皮间质转化过程(EMT)在肺纤维化疾病的发展过程中起到重要作用,大量的肺成纤维细胞可由上皮细胞经上皮间质化过程转变而来,但是,力学微环境的改变如何影响上皮间质转化过程进而调控肺部纤维化疾病的发展,目前尚不清楚。基于此问题,本课题拟以人肺泡上皮细胞A549为实验研究对象,以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底材料,讨论力学微环境拓扑结构的变化对肺泡上皮细胞生物学行为和EMT过程的影响,并研究Smad信号通路和FAK基因在此过程中的调控作用。首先,利用微加工技术制备了名义直径为10μm,名义间距分别为2μm、4μm和7μm,名义高度为4μm的PDMS微柱阵列型结构基底。其次,对PDMS微柱阵列型结构基底进行表面修饰和力学检测并实现其与A549细胞的复合培养。再次,将A549细胞接种于不同PDMS平面和微柱阵列型结构基底上,检测微柱阵列型结构基底对A549细胞形态、铺展面积、黏着斑蛋白表达和骨架重排等生物学行为的影响,使用终浓度为10 ng/mL的TGF-β1诱导A549细胞发生EMT过程,检测微柱阵列型结构基底对TGF-β1诱导的EMT过程的影响。最后,初步探究了微柱阵列型结构基底对EMT过程产生影响的可能机制,检测了Smad相关信号通路中相应蛋白的表达,进而又采用慢病毒稳定沉默基因的方法,稳定沉默A549细胞中的黏着斑激酶(FAK)基因,并检测该基因的沉默对微柱阵列型结构基底影响的上皮间质转化过程的影响。本文主要实验内容与结果如下:(1)PDMS微柱阵列型结构基底和平面基底在同一硬度条件下其杨氏模量之间并没有显著性差异。PDMS微柱阵列型结构基底和平面基底经纤连蛋白表衬后均能够实现与A549细胞的复合培养。(2)利用扫描电子显微技术研究微柱阵列型结构基底对A549细胞形态的影响,研究结果显示,微柱阵列型结构基底对A549细胞的形态具有非常显著的影响,当细胞生长在较密的微柱上时,细胞倾向于浮于微柱顶部生长,细胞圆度和铺展面积较大,随着微柱之间间距的增大,细胞的铺展面积和圆度减小,细胞极化行为变得更加明显,上皮细胞开始有间质细胞的形貌。采用免疫荧光技术和Western Blot检测微柱阵列型结构基底对细胞骨架与粘着斑蛋白的影响,研究发现,与细胞在平面基底上相比,微柱的存在破坏了细胞骨架分布的有序性和骨架丝的整齐排列,而随着微柱之间间距的增大,黏着斑蛋白的表达量开始增多,细胞黏附性开始增强。(3)利用Western Blot技术研究微柱阵列型结构基底对TGF-β1诱导的EMT过程的影响及其潜在相关信号通路蛋白的表达,研究发现,微柱阵列型拓扑结构基底能够影响EMT过程,随着微柱间距的增大,Vimentin蛋白的表达明显增多,拓扑结构可以协同TGF-β1生长因子来促进A549细胞向间质细胞转化,该过程与Smad信号通路有关。(4)利用慢病毒稳定沉默FAK基因并检测该基因在微柱阵列型结构影响的EMT过程中的作用。研究发现,FAK基因与微柱阵列型结构基底影响的EMT过程紧密相关,FAK基因的沉默能够减弱微柱阵列型结构基底对EMT过程的影响,FAK相关信号通路在力学微环境影响的EMT过程中发挥着重要作用。本实验研究证实微柱阵列型结构基底能够影响A549细胞的生物学行为并参与调控EMT过程,研究结果有助于加深我们对力学微环境调控肺纤维化过程的理解,可以为肺纤维化疾病的治疗提供研究基础和数据支撑,并为肺纤维化的预防和治疗提供相应靶点。