一种用于脂肪干细胞在模拟体内生长环境下培养及定向分化的生理力学微环境模型制造技术

本发明专利技术提供了一种用于脂肪干细胞在模拟体内生长环境下培养及定向分化的生理力学微环境模型，包括以绿色荧光蛋白标记的三代人脂肪来源干细胞、基于3D

【技术实现步骤摘要】
一种用于脂肪干细胞在模拟体内生长环境下培养及定向分化的生理力学微环境模型


[0001]本专利技术属于干细胞
，涉及一种用于脂肪干细胞在模拟体内生长环境下培养及定向分化的模型，尤其涉及一种生理力学微环境模型。

技术介绍

[0002]脂肪组织在人体内储量丰富，通过抽脂从中获得的大量脂肪干细胞(ADSCs)，有自我更新增殖及多向分化潜能，可向脂肪细胞、软骨细胞、肌细胞、成骨细胞、神经细胞、神经胶质细胞及胰岛细胞分化，而且可分泌多种促血管生成因子和抗凋亡因子而抗炎、抗氧化，可抵抗氧自由基的损伤，有望成为修复受损的组织和器官的干细胞来源。目前关于ADSCs的定向分化实验研究已积累了相当程度的数据，临床的相关应用大部分研究关注了ADSCs的定向成脂、成骨分化，但是目前这些定向分化的方法大多都是采取的生化方法。传统研究中，单纯的生化方法诱导效率低且不稳定，同时尚未考虑人体细胞微环境中异常复杂力学因素。在血管组织工程早期研究中，人造血管的生物力学性能研究严重匮乏，导致人造血管难于适应生理微环境中的力学因素变化，在体内承受反复脉动等生理负荷下中容易破裂或散边。同理，用生化方法诱导ADSCs分化形成的皮肤细胞，能否承受生理强度的力学载荷及其力学适应性未知，在临床实践中用于皮肤损伤修复时，也可能不适应细胞微环境中不断变化的多种力学因素的作用。
[0003]随着科学的不断发展，力学微环境决定干细胞命运的证据逐渐增多，对干细胞体外分化影响的研究已从生化方法拓展至力学因素对干细胞分化的作用，除了可溶性分子之外，力学刺激和细胞外基质(Extracellular matrix,ECM)的物理性质也可调节干细胞分化的转录因子的表达，生物力学与生物化学微环境协同调控了干细胞分化。骨髓间充质干细胞(Mesenchymal Stem Cell,MSC)能对不同形式的力学刺激作出反应，Engler等研究证实细胞基底硬度及细胞所受的力学刺激等物理信号比化学信号更能决定细胞的形态、转录程序、细胞命运，力学刺激可不依赖可溶性因子独立调控MSC分化。目前，用于诱导干细胞分化的机械力加载方式主要有二维(2-Dimensional,2D)和三维(3-Dimensional,3D)力学加载途径，3D培养方式的生物微环境与体内细胞生长微环境有着较高的相似度，可更直观地观察干细胞的生物力学特性。徐峰教授团队等通过设计水凝胶材料结构并结合先进制造技术，构建了具有空间力学梯度及动态力学特性的三维干细胞微环境，讨论了具有时空调控的三维干细胞力学微环境在生物医学工程领域的潜在应用。
[0004]细胞生长环境与真实体内环境的相似性密切相关，体外研究结果与在体情况的相符性较差，同时ECM存在成型效果和力学性能较差、应力的加载范围可控性不足等缺点，尚没有一种模型能涵盖体内细胞所处的力学微环境。本领域亟需构建一个近生理的ADSCs三维力学微环境，用于精细调控ADSCs定向分化。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种用于脂肪干细胞在模拟体内生长环境下培养及定向分化的生理力学微环境模型，该生理力学微环境模型能够通过选择合适的控制模态和参数值来控制力学载荷的输出，模拟干细胞在自然条件下的生理状态，产生的不同力学载荷均在生理应变范围内，实现对ADSCs受力的定量控制，从而研究不同的参数对ADSCs分化行为的影响，为ADSCs的定向分化研究提供实验支持。
[0006]实现本专利技术上述目的所采用的技术方案为：
[0007]一种用于脂肪干细胞在模拟体内生长环境下培养及定向分化的生理力学微环境模型，包括以绿色荧光蛋白标记的三代人脂肪来源干细胞、基于3D-MTC的超分辨生物力学平台、力学信号加载模块、反馈参数特征数据库以及培养基，
[0008]所述基于3D-MTC的超分辨生物力学平台包括磁化器、黏附在细胞表面的磁球以及外加磁场，磁化器用于对黏附在细胞表面的磁球进行磁化，磁球在外加磁场的作用下产生力矩，并施加在以绿色荧光蛋白标记的三代人脂肪来源干细胞的表面；
[0009]所述力学信号加载模块通过模拟人体内生长环境，综合考虑人体在不同的状态下人体内的生理力学微环境，从而确定对细胞所施加的生理力学信号类型，并通过电流控制外加磁场，从而实现对于细胞所施加力学刺激进行精确控制；
[0010]所述反馈模型数据库为包含有不同应力作用下细胞核内形变及位移场数据的数据库。
[0011]所述基于3D-MTC的超分辨生物力学平台的构建方法如下：(1)对视野下的椭圆形细胞确定范围，围绕细胞作一个能将细胞全部包含的面积最小的椭圆，以该椭圆长轴为细胞的长轴，建立相应的二维平面；
[0012](2)设定平行于细胞长轴方向为二维坐标系的长轴，垂直于细胞长轴方向为短轴，加力方向与长轴之间的角度为θ；
[0013](3)在上述的二维坐标的基础上构建三维坐标模型，对细胞在不同角度进行加力，构建多模态三维生理力学信号模型；
[0014](4)磁化器产生脉冲，沿着与细胞平面垂直的Z轴方向对黏附在细胞表面的磁球进行磁化，每隔一定时间需要对磁球进行重新磁化，以维持其磁场强度和方向不变；
[0015](5)对磁球施加一个与细胞长轴成0～90
°
角度的正弦外磁场，磁球在外加磁场的作用下产生力矩，并施加在以绿色荧光蛋白标记的三代人脂肪来源干细胞的表面。
[0016]所述的生理力学信号类型包括频率、幅度、强度、加力时间、加力角度和加力方式，各类型的生理力学信号参数设置如下：
[0017]频率：0.2Hz～1Hz、1～3Hz、3～10Hz、10Hz～20Hz；
[0018]幅度：5％、10％、15％、30％、50％；
[0019]强度：9kPa、12kPa、15kPa、50kPa；
[0020]加力时间：4hours/d、8hours/d、24hours/d；
[0021]加力角度：0
°
、45
°
、90
°
；
[0022]加力方式：正弦波、方波。
[0023]反馈模型数据库中，所述不同应力作用下细胞核内形变及位移场数据的计算方法如下：(1)采用Matlab磁球追踪程序处理采集到的图像，通过计算输出数据记录，包括采样
时间、周期和磁球位移坐标值，剔除磁球的异常位移数据；
[0024](2)采用单分子追踪技术来获得GFP荧光粒子轨迹，进而计算GFP荧光粒子扩散的均方位移MSD，采集并存储加力前后的图像，然后对图像进行减噪、配准、融合、格式转换及边缘分析处理；
[0025](3)采用基于数字图像互相关定理，采用Matlab中三维快速傅立叶变换算法来及位移提取算法求解细胞图像二维或三维位移场，对近生理力学刺激下的细胞核整体及染色质的形状、结构和细胞力学性能的检测；通过对比加力前参考图与加力后变形图，计算互相关系数来获得细胞图像位移场。
[0026]上述步骤(2)中的具体方法为：首先利用Matlab程序对未加力和周期性加力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于脂肪干细胞在模拟体内生长环境下培养及定向分化的生理力学微环境模型，其特征在于：包括以绿色荧光蛋白标记的三代人脂肪来源干细胞、基于3D-MTC的超分辨生物力学平台、力学信号加载模块、反馈参数特征数据库以及培养基，所述基于3D-MTC的超分辨生物力学平台包括磁化器、黏附在细胞表面的磁球以及外加磁场，磁化器用于对黏附在细胞表面的磁球进行磁化，磁球在外加磁场的作用下产生力矩，并施加在以绿色荧光蛋白标记的三代人脂肪来源干细胞的表面；所述力学信号加载模块通过模拟人体内生长环境，综合考虑人体在不同的状态下人体内的生理力学微环境，从而确定对细胞所施加的生理力学信号类型，并通过电流控制外加磁场，从而实现对于细胞所施加力学刺激进行精确控制；所述反馈模型数据库为包含有不同应力作用下细胞核内形变及位移场数据的数据库。2.根据权利要求1所述的用于脂肪干细胞在模拟体内生长环境下培养及定向分化的生理力学微环境模型，其特征在于：所述基于3D-MTC的超分辨生物力学平台的构建方法如下：(1)对视野下的椭圆形细胞确定范围，围绕细胞作一个能将细胞全部包含的面积最小的椭圆，以该椭圆长轴为细胞的长轴，建立相应的二维平面；(2)设定平行于细胞长轴方向为二维坐标系的长轴，垂直于细胞长轴方向为短轴，加力方向与长轴之间的角度为θ；(3)在上述的二维坐标的基础上构建三维坐标模型，对细胞在不同角度进行加力，构建多模态三维生理力学信号模型；(4)磁化器产生脉冲，沿着与细胞平面垂直的Z轴方向对黏附在细胞表面的磁球进行磁化，每隔一定时间需要对磁球进行重新磁化，以维持其磁场强度和方向不变；(5)对磁球施加一个与细胞长轴成0～90
°
角度的正弦外磁场，磁球在外加磁场的作用下产生力矩，并施加在以绿色荧光蛋白标记的三代人脂肪来源干细胞的表面。3.根据权利要求1所述的用于脂肪干细胞在模拟体内生长环境下培养及定向分化的生理力学微环境模型，其特征在于：所述的生理力学信号类型包括频率、幅度、强度、加力时间、加力角度和加力方式，各类型的生理力学信号参数设置如下：频率：0.2Hz～1Hz...

【专利技术属性】
技术研发人员：张跃进，钟美玲，李光辉，王娟，叶梦秋，刘琪，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：