体内细胞长期生活在一种动态的、复杂的、多种物理因素如几何结构、空间维度和力学刺激等交织共存的微环境中,细胞能够感受到这些微环境物理因素的存在并通过调节自身行为和功能对它们做出适当的响应。大量研究结果表明,很多基底拓扑结构例如直线、隆起、柱状以及凹陷等都会对细胞的黏附和迁移产生影响。不仅如此,细胞的其它诸多生理行为,如细胞增殖、分化、凋亡等都会不同程度地受到各种细胞周围微环境物理因素的影响和调控。因此通过控制细胞周围微环境的因素,尤其是物理因素,对细胞进行相关生物学行为的研究正成为国内外研究的重点和热点。众所周知,体内很多细胞本身就生活在形状各异、力学环境不断变化的组织器官中,如管状结构的气管和血管,尤其是在气管中,气道管径的大小会随着气道周期性的收缩扩张而不断变化。气道壁上这种曲率的动态变化很可能会影响气道平滑肌细胞的生理学和物理学行为。但是,目前绝大多数关于哮喘和气道病变的研究,都忽略了曲率因素在气道病理过程中可能扮演的角色和作用,因此探讨微环境曲率因素对气道平滑肌细胞性质和行为的影响显得十分重要。为了填补这一空白,本课题利用微接触印刷技术在体外构建了微图形圆环阵列模拟体内气道各分级结构的不同曲率大小,研究和探索了曲率变化对气道平滑肌细胞生理学和力学性质可能存在的影响和调控机制。根据气道解剖学数据,我们在微图形阵列中设计了从直线到半圆(半径为50μm)的梯度曲率条带(代表从0到1/50μm-1的曲率变化范围)来完整地覆盖气道壁曲率的变化范围。在这个阵列中所有圆弧的设计宽度均为20μm,此宽度仅允许单个气道平滑肌细胞黏附生长,从而保证了气道平滑肌细胞严格按设计曲率弯曲排列,充分感受曲率的存在并对其做出可能的响应。此外,在完整的曲率阵列图形旁边,我们设计了一个边长为1000μm的正方形和半径为500μm的圆形细胞黏附生长区域作为实验对照组图形。随后,我们利用活细胞工作站实时成像显微系统和光学磁微粒扭转细胞测量技术,对培养在梯度曲率条带和对照组图形上的气道平滑肌细胞的骨架结构和粘着斑组装变化、迁移速率、运动轨迹和迁移策略以及细胞硬度和收缩性能等生理学和力学行为进行了详细地分析和比较。我们发现:1)气道平滑肌细胞的骨架结构和粘着斑的重构组装都受到了曲率因素的影响。当气道平滑肌细胞选择性黏附到胶原蛋白裱衬过的曲率条带上时,气道平滑肌细胞的形状会与曲率条带匹配而发生改变,同时,这些细胞内纤维状肌动蛋白(F-actin)和粘着斑蛋白(vinculin)的荧光表达强度和分布排列也随着曲率变化而发生了改变,例如F-actin在直线条带上表达最多,并且随着曲率增大而减少;而vinculin的表达量在中等曲率上最高,并且会随着曲率的增大先增多后减少。2)气道平滑肌细胞的平均迁移速率受到了曲率因素的作用和影响。当曲率从零增加到1/150μm-1时,细胞的迁移速度开始先降低(0~1/750μm-1),随后升高(1/750~1/150μm-1)。在中等曲率也就是在曲率为1/750μm-1的条带上的气道平滑肌细胞运动性最差,惰性最强。3)气道平滑肌细胞扩散运动策略受到了曲率的影响。黏附生长于曲率条带上的气道平滑肌细胞的迁移大部分情况下呈亚扩散行为,并且幂率响应指数变化非常轻微;而只有在较大的时间间隔内,在低或高曲率条带上的细胞的扩散行为才呈现超扩散的迁移策略。4)虽然幂率响应拟合直线的斜率很可能与曲率无关,但是细胞硬度的大小却受到了曲率变化的显著影响。当曲率从0升高到1/150μm-1,气道平滑肌细胞的硬度以双相形式变化,例如,曲率从低到中等变化时细胞硬度增加,曲率从中等到高变化时细胞硬度减小。有趣的是,生长在对照区域的气道平滑肌细胞的硬度与生长在直线条带上的细胞硬度大致相等。5)细胞的收缩力随着基底曲率的变大而减小。当曲率从0升高到1/150μm-1时,气道平滑肌细胞的收缩力一直在减小,但是对照组区域内细胞的收缩力与中间曲率条带上细胞的收缩力相当。气道平滑肌细胞的收缩力随着曲率升高而减小的结果与细胞内纤维状肌动蛋白的表达量是密切关联的。从几何观点来看,纤维状肌动蛋白平行于气道平滑肌细胞的主轴排列,是产生收缩力的主要结构形式。这表明直线条带上的气道平滑肌细胞有最大比例的纤维状肌动蛋白平行于细胞的排列主轴,因此与高曲率条带上的细胞相比表现出了最大的收缩力。总之,气道平滑肌细胞骨架结构、细胞的运动性和细胞力学性质都不同程度地受到了曲率因素的作用和影响,并且,气道平滑肌细胞内纤丝状肌动蛋白和粘着斑蛋白的表达水平,看起来分别与气道平滑肌细胞的收缩力和运动性相互关联。这些研究结果将为更好地理解哮喘疾病中气道平滑肌收缩的异质性病变、管状器官的功能性障碍,并为组织工程的发展提供有价值的研究依据。