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以动脉粥样硬化为代表的心脑血管疾病在近年来发展成为人类主要致死疾病之一。动脉粥样硬化可以由很多原因导致,是一个复杂的过程,但是最终都是发生内皮细胞(Endothelial Cell,EC)和平滑肌细胞(Smooth Muscle Cell,SMC)信号的紊乱,平滑肌细胞去分化变成增殖型/合成型细胞而致血管内膜增生,产生稳定的纤维脂肪斑而导致的动脉壁加厚。针对这种疾病,组织工程化血管是目前比较有发展前途的治疗手段,主要研究的热点还是落在如何改进组织工程血管材料,使其为血管的重建提供一个适宜的微环境。对于EC和SMC之间的信号交流,前人的研究主要集中于炎性细胞以及由内皮细胞激活的信号通路,例如PDGF通路等。最近的研究表明,外泌体是细胞和细胞之间,以及细胞和外部为环境之间交流的重要媒介,比如,外泌体也参与了EC与SMC之间的信号交流。有研究报道,生物化学因素可以调控人脐静脉内皮细胞(Human Umbilical Vein Endothelial Cell,HUVEC)的基因表达及外泌体分泌。物理因素,例如流体剪切力,也可调控HUVEC外泌体的分泌。这些发现为本课题假说的提出提供了重要的依据。本研究假设,利用非常简单的,有一定沟槽结构的PDMS生物材料作为一个外部物理因素,是否可以影响EC基因表达,而且EC是否可以将这些信号通过外泌体传递出去,作为重要受体细胞的SMC,是否可以接受HUVEC的外泌体信号而发生相应的反应。为了验证这些假设,论文先研究了在PDMS材料的微观形貌影响下HUVEC的形态变化,以及对SMC中microRNA以及下游靶点基因及蛋白的表达量的影响。可以发现,在共培养体系中,具有凹槽结构的PDMS膜将HUVEC的形态拉长成梭形后,HUVEC中的microRNA的表达量改变,特别是miR-143/145表达量上调;而同时SMC中的miR-143/145表达量也会上升,而其下游靶点SM-α-actin、MYH11的基因转录与蛋白质表达则会相应的下降。这种现象在转移HUVEC上清液而细胞不发生接触的体系中亦得以证实,提示HUVEC上清液中的因素导致了SMC功能的改变。随后研究了HUVEC的形貌变化信息通过分泌外泌体以及其中的microRNAs传递来影响SMC。可以发现的是,HUVEC上清液含有丰富的外泌体。相较于没有图案的平滑表面,在具有凹槽结构的PDMS诱导HUVCE分泌更多的外泌体,外泌体中的miR-143/145的表达量也相应上升;而BODIPY的染色结果更是直观地证明这些外泌体由HUVEC传递至SMC。在此基础上进一步选用特异性抑制剂N-SMase Spiroepoxide抑制剂抑制HUVEC外泌体产生,发现所有的效应都消失,从而反证了外泌体microRNA在其中的重要调节作用。论文还研究了PDMS材料的微观形貌对HUVEC本身的影响。在进行了大量的microRNA以及对应的mRNA的表达谱分析中,可以发现,在具有凹槽结构的PDMS材料上,HUVEC发生形态的被动改变后,很多microRNA都发生了显著变化。其中除了miR-143/145外,miR-21的表达量上升非常显著,其靶蛋白PTEN、caspase-3表达均发生显著变化,提示一定微观形貌的PDMS膜还可以调控HUVEC的细胞凋亡行为。综上所述,相较于无图案的PDMS材料,具有凹槽结构的PDMS材料会影响HUVEC的细胞形态,使其被拉长成梭形、骨架沿凹槽生长,而细胞中的microRNA表达量也会受到影响——miR-143/145表达量上升,并通过分泌更多的外泌体的方式进而调控平滑肌细胞中miR-143/145以及收缩型平滑肌标志性蛋白表达量的上升,进而影响平滑肌细胞的表型及功能;不仅如此,具有凹槽结构的PDMS材料还会调控HUVEC自身的细胞凋亡行为。由此可见,血管组织工程材料的微观形貌对EC的调控作用本研究所揭示的只是冰山一角,未来还有更大的研究空间。