《Acta Biomaterialia》：micropatterning transcriptionally and phenotypically reprograms endothelial cells
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血管堵塞治疗中合成材料表面微图案化调控内皮细胞抗免疫特性的研究。通过拓扑微图案化聚脲酯材料诱导内皮细胞延伸对齐，结合转录组测序和蛋白表达分析，发现其降低促炎细胞因子分泌，增强YAP磷酸化，抑制炎症基因表达，并证明细胞形态变化独立于中间纤维vimentin介导机制。本研究揭示了生物材料拓扑结构对内皮细胞功能调控的潜力，为血管移植物设计提供新思路。
保罗娜·约西奇·多米诺维奇（Paula Josic Dominovic）|梅根·E·法伦（Meghan E. Fallon）|庞佳庆（Jiaqing Pang）|西奥多拉·T·阿莱塞（Theodora T. Alese）|希拉里·H·勒（Hillary H. Le）|迪尔德丽·E·J·安德森（Deirdre E.J. Anderson）|欧文·J·T·麦卡蒂（Owen J.T. McCarty）|安东尼·P·巴恩斯（Anthony P. Barnes）|莫妮卡·T·海因兹（Monica T. Hinds）
美国俄勒冈健康与科学大学生物医学工程系，波特兰，OR
摘要
血管阻塞是心血管疾病的主要原因之一，需要通过移植手术等干预措施进行治疗；然而，由于合成生物材料无法支持抗免疫反应的内皮层，合成血管移植物的开发仍然面临挑战。通过生物物理信号的拓扑微图案化技术可以为促进移植物内皮化提供有前景的策略。作为生物材料与血液之间的界面，内皮细胞提供了一个调节炎症的生物活性层。我们利用聚氨酯生物材料的拓扑微图案化技术诱导内皮细胞的伸展和排列，并通过批量RNA测序方法测量了由此产生的转录变化。细胞表型通过基因和蛋白质表达以及趋化因子分泌来表征。这种由生物材料微图案化调控的伸展和排列形态促进了抗炎转录组，减少了促炎趋化因子的分泌，并诱导了Yes相关蛋白（YAP）的磷酸化，从而支持了内皮细胞的抗免疫特性。通过测量中间丝蛋白vimentin对YAP定位的调控以及内皮细胞促炎基因的表达，量化了这种抗免疫表型的细胞骨架调节机制。vimentin的聚集与YAP的去磷酸化呈正相关，并抑制了促炎基因的表达，表明内皮细胞的伸展和排列独立于vimentin介导的机制影响基因调控和细胞功能。微图案化内皮细胞在促炎条件下仍能保持其抗免疫功能，这体现在YAP的磷酸化增加和促炎因子IL-8的释放减少。我们的研究突显了生物材料信号在调节血管移植物内皮细胞行为方面的潜力。
意义声明
我们利用拓扑微图案化技术区分了内皮单层形态与单向血流的作用，并测试了仅通过结构本身如何调节基因表达。微图案化基底能够产生可重复的长形、排列整齐的内皮层，并协调vimentin中间丝网络的形态。批量转录组学分析揭示了与特定形态相关的表达状态，包括炎症信号的减弱和分泌谱型的改变，以及机械敏感性调控程序和下游转录特征的转变。这些发现将细胞骨架组织与内皮细胞的机械转导联系起来，强调了生物材料拓扑结构作为调节内皮功能的设计工具，在临床前和临床应用中的重要性。
章节摘录
引言
心血管疾病，包括动脉阻塞，每年全球导致近1800万人死亡[1,2]。阻塞通常通过使用旁路移植手术来治疗，以替换阻塞的血管。然而，目前可用的合成移植物容易发生管腔狭窄。移植物的内皮化对于材料的长期生物相容性至关重要，因为内皮层能够形成抗免疫反应的表面，但大多数合成材料在这方面存在不足。
生物材料
拓扑微图案化的生物材料是通过双重复制模塑技术制备的，具体过程如补充图1所示。简而言之，首先使用光刻技术制备具有各向异性拓扑微图案（脊/槽宽度=3 μm，深度=1 μm）的硅模板。然后，将SYLGARD 184硅弹性体基底与固化剂（Dow Corning）按7:1的比例混合后浇注在硅模板上，制成PDMS子模板。未进行微图案化的平面子模板则用于对比实验。
各向异性拓扑结构改变内皮转录组
使用具有3 μm宽脊和1 μm深槽的聚氨酯生物材料（该生物材料的机械性能数据见补充表2）成功诱导了内皮细胞的伸展和排列。扫描电子显微镜（SEM）图像显示了这些培养生物材料的高度规则和排列整齐的特征（图1）。此外，该微图案的横截面视图也证实了脊和槽的存在[5]。
讨论
生物材料的拓扑图案化已成为调节内皮细胞功能的强大且富有前景的工具。在本研究中，我们使用了之前已经研究过的微图案化聚氨酯表面[4,5,26]。大量研究表明，无论是微尺度还是纳米尺度上的各向异性拓扑结构都能显著促进内皮细胞的伸展和排列。这种全细胞伸展通常通过形状指数或长宽比来量化。
作者贡献
保罗娜·约西奇·多米诺维奇（Paula Josic Dominovic）：概念提出、数据管理、方法学设计、数据分析、可视化处理、初稿撰写、审稿与编辑。
梅根·E·法伦（Meghan E. Fallon）：概念提出、数据管理、方法学设计、实验研究、数据分析、可视化处理、资金筹集、初稿撰写、审稿与编辑。
庞佳庆（Jiaqing Pang）：实验研究、初稿撰写、审稿与编辑。
西奥多拉·T·阿莱塞（Theodora T. Alese）：实验研究、数据分析、初稿撰写。
希拉里·H·勒（Hillary H. Le）：数据分析。
资金来源
本工作得到了美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）[资助编号F31HL162467, R01HL144133, R01HL101972, R01HL168868和5T32HL166128-03]以及由美国心脏协会资助的俄勒冈健康与科学大学（OHSU）研究生实习计划（ORION）[资助编号23IAUST1019750]的支持。
披露
作者声明与本文所述工作无任何利益冲突。
数据获取
数据可应要求提供给通讯作者。
作者贡献声明
保罗娜·约西奇·多米诺维奇（Paula Josic Dominovic）：审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、方法学设计、数据分析、概念提出。
梅根·E·法伦（Meghan E. Fallon）：审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、方法学设计、实验研究、资金筹集、数据分析、概念提出。
庞佳庆（Jiaqing Pang）：审稿与编辑、实验研究。
西奥多拉·T·阿莱塞（Theodora T. Alese）：初稿撰写、实验研究、数据分析。
希拉里·H·勒（Hillary H. Le）：初稿撰写。
