Multiscale mechano-chemo-biological coupling at cellular and molecular levels

作为生物力学主要分支之一,细胞-分子生物力学数十年来在力学-生物学、力学-化学耦合方面取得了重要进展。细胞可感知生理力学环境,并通过力学敏感蛋白激发下游信号通路以平衡外力作用。人们需要了解不同细胞的力学性质有何不同、外力如何被转导为生物化学信号。细胞-亚细胞-分子水平的多尺度信息整合有助于认识细胞的力学感知、传递、转达、表观遗传应答。本文更新了细胞-分子生物力学的进展,并讨论相关的科学问题、研究方法和潜在应用

差动式旋转生物反应器内流场的数值计算

前言对于组织工程和生物制药而言,如何实现细胞的大量繁殖一直以来都是一个十分关键的问题。中科院力学所发展了差动式旋转生物反应器,并申请了相关的专利(授权号:99123883.4),它可以为细胞生长提供低紊流、低剪切和充分的氧化环境。本文的工作试图利用流体力学的数值方法,研究如何通过调整反应器的旋转条件来控制细胞培养室内的力学环境,以避免过高的应力损害细胞的生长,同时保证细胞有充分的营养供应

牵拉力对共培养的表皮干细胞及成纤维细胞迁移行为的影响

背景:创面愈合是一个复杂的动态过程,是细胞之间、细胞与细胞外基质及细胞因子间相互影响和协同作用的结果。另外,大量相关研究表明机械应力可以诱导组织细胞增殖,促进创面愈合。因此创面愈合也是一个典型的力学-生物学耦合过程,但力学刺激促进创面愈合的细胞/分子的调控机制目前尚不清楚。皮肤由多种细胞组成,通过牵张皮肤等在体方法难以区分其中某类细胞对外界力学刺激的单独响应以及

推动交叉学科研究 促进生命与医学科学的发展

基础研究是国家科技发展的原动力,学科的交融与渗透已经成为当今科学发展的重要趋势,促进交叉学科的健康成长是目前科学界普遍关心的问题之一。分析近百年来获得诺贝尔自然科学奖的300多项成果中,近一半的项目是多学科合作的研究成果,对170多位生理学或医学诺贝尔奖获得者及他们的原创性成果的统计研究发现,具有跨学科知

Impacts of surface micro-topography on cellular biological responses

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生长、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，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

Technical advances in space cell bioreactor

为了研究空间微重力环境对生命系统的影响,在空间进行细胞生物学实验是不可或缺的环节。空间细胞生物反应器作为支持空间生命科学研究的重要技术手段,直接影响到空间实验数据的质量和研究水平。迄今为止,空间细胞生物反应器技术仍在发展之中.,尚无统一标准。综述空间细胞生物反应器发展的现状,介绍几类典型空间细胞生物反应器的工作原理,着重分析培养液供应方式和空间流体力学环境的特点,并简要分析对温度、溶氧、溶液PH值等过程参数控制及在线显微观测技术,以期探讨空间生物反应器的未来发展方向。</p

周期性机械拉伸对表皮干细胞分化及生物学效应的影响

背景:表皮干细胞是创面愈合过程中的重要细胞成分之一,表皮干细胞分布在基底层,约占基底层细胞的1%-10%,对皮肤的张力有较高的感应能力,其细胞表面有高水平的integrin-beta1表达,因而integrin-beta1高表达被认为是KSC分子标志之一,同时也是表皮干细胞对皮肤张力的感应器。。整合素尤其是整

基底力学微环境调控胚胎干细胞肝向分化的规律及分子机制

目的通过建立硬度耦合拓扑结构基底影响胚胎干细胞(embryonic stem cell, ESCs)肝向分化的实验体系,深化力学微环境对ESCs肝向分化的生物学过程及力学-生物学耦合规律及分子机制的认识,为阐明力致ESCs肝向分化的生理及体外调控过程提供基础数据,并为肝脏疾病治疗和工程化肝组织构建研究提供新思路、新视角。方法 将聚丙烯酰胺水凝胶按特定配比制备不同硬度、拓扑结构及两者耦合的基底力学微环境,建立不同硬度耦

Differential regulation of morphology and stemness of mouse embryonic stem cells by substrate stiffness and topography

The maintenance of stem cell pluripotency or sternness is crucial to embryonic development and differentiation. The mechanical or physical microenvironment of stem cells, which includes extracellular matrix stiffness and topography, regulates cell morphology and stemness. Although a growing body of evidence has shown the importance of these factors in stem cell differentiation, the impact of these biophysical or biomechanical regulators remains insufficiently characterized. In the present study, we applied a micro-fabricated polyacrylamide hydrogel substrate with two elasticities and three topographies to systematically test the morphology, proliferation, and sternness of mESCs. The independent or combined impact of the two factors on specific cell functions was analyzed. Cells are able to grow effectively on both polystyrene and polyacrylamide substrates in the absence of feeder cells. Substrate stiffness is predominant in preserving stemness by enhancing Oct-4 and Nanog expression on a soft polyacrylamide substrate. Topography is also a critical factor for manipulating sternness via the formation of a relatively flattened colony on a groove or pillar substrate and a spheroid colony on a hexagonal substrate. Although topography is less effective on soft substrates, it plays a role in retaining cell sternness on stiff, hexagonal or pillar-shaped substrates. mESCs also form, in a timely manner, a 3D structure on groove or hexagonal substrates. These results further the understanding of stem cell morphology and stemness in a microenvironment that mimics physiological conditions. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved