血管生成研究的重大突破 | Bioactive Materials

血管生成研究重大突破 | Bioactive Materials

【研究背景】

血管生成是指从现有血管中内皮细胞生长而生成新的血管，一旦血管开始生成，被称为尖端细胞的特殊内皮细胞就会开始发芽过程。由此，血管芽内皮尖端细胞的长出标志着血管生成的开始，这一过程在生理学和病理生理学过程中至关重要。然而，细胞外基质（ECM）的机械特性如何调节尖端细胞的形成在一定程度上被忽视了。尖端细胞的特性是血管生成和组织工程的关键，它可以定向迁移到无血管区域，对最终形成的血管形态起决定作用。迄今为止，各种生化信号分子因素如 MST1-FOXO1等多见报道，然而功能血管的建立需要生化和生物力学信号线索的结合，后者取决于组织工程和再生医学中使用的生物材料的特性。

近期，北京大学口腔医学院的郭亚茹博士以第一作者在Bioactive Materials发表了题为：Matrix stiffness modulates tip cell formation through the p-PXN-Rac1-YAP signaling axis的研究文章。文章报道了基质硬度通过p-PXN-Rac1-YAP信号轴调节尖端细胞形成，这项工作不仅有助于在组织工程和再生医学中寻找最佳材料，也为肿瘤治疗和病理性血管再生提供了新的治疗策略。在生物材料设计和治疗一些病理情况方面具有特殊意义。邓旭亮教授为本文通讯作者。

【研究概述】

在这项研究中，作者研究了基质硬度对尖端细胞形成的影响，并探索了基础机制。在肝癌细胞的外层发现CD31表达更高，组织硬度也更高。基质的硬度增加可以显著增加血管的生成和尖端细胞富集基因的表达。硬度较大的基质增加了FAK和p-PXN的局灶黏附，提高了活性Rac1的水平，进而导致细胞骨架组织和细胞刚度增加。随后，YAP作为下游的力效应因子被激活并易位入核，上调靶基因的表达，最终促进尖端细胞的形成。p-PXN还可以减少细胞间的连接，从而促进尖端细胞的形成。由此表明：基质硬度可通过p-PXN-Rac1-YAP信号轴调节尖端细胞的形成。

【研究利器】——FluidFM技术在生物活性材料领域的创新应用

本实验研究人员采用了多功能单细胞显微操作系统——FluidFM技术，实现了单个细胞的分离，单个细胞粘附力的测量。瑞士Cytosurge公司多功能单细胞显微操作系统——FluidFM，是集原子力系统、微流控系统、细胞培养系统为一体的单细胞操作系统。主要功能包括单细胞注射、单细胞提取、单细胞分离、单细胞粘附力的测定、生物3D打印等。实验中FluidFM探针以3 μm/s靠近细胞，设定力为100 nN。当探针连接到到达设定点的细胞时，在探针中施加-650 mbar 的力，并保持5 s，以确保细胞被探针完全抓取。然后，在保持-650 mbar的压力，以1 μm/s的速度将探针抬高至100 μm的高度，从而将细胞从基板上完全分离。FluidFM系统完全记录了每个单细胞的Z轴高度和力距离曲线，并分析其粘附强度。每个条件下至少测量并获得20个力距离曲线。所有细胞粘附测量实验过程都是在 37 °C在5% CO2细胞培养环境下进行。

图6. FluidFM进行单细胞分离示意图。

图7. FluidFM进行单细胞力谱测定示意图。

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【参考文献】

[1] Y. Guo, F. Mei, Y. Huang, S. Ma, Y. Wei, X. Zhang, M. Xu, Y. He, B.C. Heng, L. Chen & X. Deng. Matrix stiffness modulates tip cell formation through the p-PXN-Rac1-YAP signaling axis. (2021) Bioactive Materials.