中文摘要：

细胞形态与剪切应力均可以通过整合素-粘附斑途径影响细胞的增殖与分化，剪切应力还能够通过钙离子-环氧合酶途径影响细胞的增殖与分化。我们认为，钙离子-环氧合酶与整合素-粘附斑两条信号途径存在相互作用，剪切应力能够通过这两条信号途径影响细胞形态依赖的增殖与分化功能。 本课题将基于可控制细胞形状的微图案化技术，以MC3T3-E1细胞为对象，以细胞生物学与分子生物学技术为支撑，通过对细胞内钙离子瞬态以及粘附斑分布、形成与清除动力学的分析，阐明剪切应力与形状可通过类似信号途径影响细胞的增殖与分化功能，揭示剪切应力影响形状依赖的细胞增殖与分化功能的机理，并验证剪切应力能够通过整合素-粘附斑与钙离子-环氧合酶两条信号途径的协同作用影响成骨细胞增殖与分化功能的假说。 本课题对促进骨组织工程发展与生物材料的应用具有指导价值，是对力学生物学机理的进一步深化。

结论摘要：

剪切应力与细胞形态均可以改变其增殖与分化能力。已经发现剪切应力可以通过细胞内钙瞬态途径以及细胞骨架影响成骨细胞的功能,但细胞形态影响其增殖与分化功能的机理目前还未被阐明。本课题以MC3T3-E1成骨细胞为模型细胞，比较研究了两者对成骨细胞增殖与分化功能的影响,并对其相关生物学机理进行了研究。 1）使用自制流动腔技术对剪切应力诱导的细胞内钙瞬态过程进行了系统的研究，发现剪切应力诱发的细胞内钙振荡是阈值依赖的全或无的关系，剪切应力首先通过激活细胞膜上非特异性阳离子通道使钠离子内流，引起细胞膜去极化诱发细胞膜电压依赖性L型钙离子通道开放，在通道周围小区域形成局部高钙分布，引起ATP释放，并通过细胞膜ATP受体激活内质网钙通道，导致细胞内钙瞬态的发生。该过程可以通过数学模型进行仿真。 2）细胞钙振荡调控实验表明，钙振荡幅度主要影响成骨细胞的增殖能力，钙振荡持续时间主要影响成骨细胞的分化能力，钙振荡的再次发生决定于细胞膜电位是否已经恢复。 3）构建了矩形、三角形、圆形、正方形等不同细胞形态的培养模型，发现三角形与矩形细胞有较大的增殖与分化能力，圆形、正方形的增殖、分化能力较弱；钙成像结果表明，ATP刺激下，三角形、矩形细胞产生了单峰钙振荡，而正方形、圆形细胞产生了多峰钙振荡；细胞骨架与黏附斑蛋白染色结果表明，不同形态细胞具有不同的细胞骨架结构；细胞膜电位结果表明，矩形、三角形细胞具有较低的跨膜电位。综合以上结果剪切应力与细胞形态均能影响成骨细胞的增殖、分化行为；剪切应力与细胞形态对成骨细胞增殖与分化的影响均与细胞内钙瞬态特征相关；不同形态细胞具有不同钙瞬态特征可能与细胞膜电位有关，细胞膜电位可能与细胞骨架特征有关；控制细胞膜电位与控制细胞内钙瞬态均可以调节成骨细胞的增殖与分化功能。