矩形水凝胶微凹槽的空间约束调控人脐静脉内皮细胞的形态和排列

摘要

目的 本研究拟构建微米级矩形水凝胶凹槽，探究人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells,HUVECs）在三维空间约束条件下的形态和排列规律。方法 使用四臂-聚乙二醇-丙烯酸酯水凝胶制备宽度为60μm、100μm、140μm的矩形微凹槽，检测其尺寸和纤连蛋白（fibronectin, FN）黏附情况；在FN包被的微凹槽中接种HUVECs，培养48 h后检测细胞的形态和取向，利用鬼笔环肽标记细胞骨架和激光共聚焦显微镜观察水凝胶微凹槽中HUVECs细胞骨架取向，以无微图案平面为对照。结果 构建的水凝胶微凹槽形态均一、结构完整，边缘清晰，宽度误差<3.5%，不同宽度水凝胶微凹槽的深度差异较小，FN黏附均匀，为细胞提供了微图案化的生长界面。对照组中细胞排列杂乱，取向随机，细胞取向角为（46.9±1.8）°，而水凝胶微凹槽中细胞取向角显著减小（P<0.001），但随着水凝胶微凹槽宽度增加而增大，60μm、100μm、140μm水凝胶微凹槽中细胞取向角分别为（16.4±2.8）°、（24.5±3.2）°、（30.3±3.5）°；与对照组相比较（35.7%），不同宽度水凝胶微凹槽中取向角<30°的细胞数量增多（P<0.001），但随着水凝胶微凹槽宽度增加，取向角<30°的细胞数量逐渐减少（79.9%、62.3%、54.7%），而取向角60°～90°的细胞数量逐渐增加（P<0.001）。微凹槽中细胞胞体变小、变圆，细胞沿微凹槽方向排列，细胞骨架排列发生相应改变，对照组中细胞骨架纤维丝排列方向随机，取向角为（45.5±3.7）°，各取向角内骨架纤维数量分布均匀，但60μm、100μm、140μm的水凝胶微凹槽中的细胞骨架蛋白纤维取向角显著降低，分别为（14.4±3.1）°、（24.7±3.5）°、（31.9±3.3）°，不同宽度水凝胶微凹槽中取向角<30°的骨架纤维数量明显增加（P<0.001），但随着水凝胶微凹槽宽度增加，取向角<30°的骨架纤维数量逐渐减少，而取向角60°～90°的骨架纤维数量逐渐增加（P<0.001）。结论 水凝胶微凹槽可调控HUVECs形态与取向，在一定程度上可模拟血管内皮细胞的在体微环境，为研究血管内皮细胞的独特生理功能提供了更符合生理条件的实验模型，但三维空间约束影响血管内皮细胞形态和组装的分子机制有待进一步研究。

关键词

微图案 / 血管内皮细胞 / 细胞形态 / 细胞取向 / 细胞骨架