细胞与基底的相互作用是细胞生物学、生物材料学及组织工程学等领域共同关注的研究内容,利用微加工技术探寻及模拟组织内神经细胞在其特定微环境中的生长行为及功能响应等对于理解体内胚胎发育、神经组织再生及修复等具有重要的意义。然而生长在低纵深图式化结构底部上的细胞同时受底面及侧壁的影响,这些图式往往并不支持真正的侧壁上三维培养而应被看做近似二维(near two-dimensional,N2D)培养系统,这种在单细胞(single cell)水平上的近似二维培养与侧壁上的三维培养其细胞是否具有相同的功能特性仍是一个待解决的问题。且在以神经干细胞(NSCs)聚集体为基础的干细胞组织工程及微系统构建中,其在多细胞水平(multiple cells)上又是如何通过细胞与基底及细胞间的相互作用共同调节细胞的生物学响应呢?因此,实现不同水平上的神经细胞在图式化结构基底上的多维培养及原位评价不同培养系统细胞的功能响应与生长行为之间的关系是构建神经细胞微系统及组织工程植入体的重要环节。本文基于微加工技术设计并制备出微小凹直径分别为80μm,100μm,120μm,微小凹深度为100μm,无通道和通道宽度分别为20μm和40μm的PLLA微小凹图式结构基底,实现了SH-SY5Y人神经母细胞瘤细胞和海马NSCs在图式上的复合培养及诱导分化。考察了两种水平上的神经细胞定向迁移、转化及其影响因素,进而构建出神经细胞多维培养模型。此外,结合免疫荧光染色及钙离子荧光检测技术原位评价了该培养模型中细胞的生长行为及功能响应特性,探究了ROCK信号通路及RGK蛋白Gem在细胞生物学响应中的调节机制,并构建出具有功能性的图示化神经细胞网络。本研究可应用于神经细胞微系统中高通量药物筛选及靶标响应性的功能评价及组织工程植入体的体外构建等。本文的主要内容和结果:(1)设计并制备出PLLA微小凹图示结构基底,进而构建出由微小凹底部受侧壁限制的近似二维细胞(N2D cells)、侧壁上的三维细胞(3D cells)和结构表面的二维细胞(TS-2D cells)组成的SH-SY5Y细胞多维培养模型,并评价了其在单细胞水平上的生长行为及钙离子功能响应特性。研究发现微小凹图示通过诱导N2D细胞在图示上的定向迁移、转化进而完成其多维培养模型的构建,且伴随着细胞微丝骨架的重排及形态特征的变化。同时,研究发现图式上的细胞(N2D and 3D cells)较平面基底上的细胞(FS-2D cells)表现出形态铺展和VGCCs功能响应性的明显降低,且N2D细胞的相应值均介于FS-2D细胞和3D细胞之间,提示细胞的VGCCs功能响应性与其形态铺展具有明显的相关性。(2)通过引入ROCK信号通路抑制剂研究了微小凹图示上SH-SY5Y细胞生长行为及功能响应的调节机制。研究发现微小凹图式通过抑制ROCK信号通路的活性,进而抑制SH-SY5Y细胞在图式上的微丝骨架排布、形态铺展及黏着斑的装配;而抑制ROCK信号通路后对细胞在图式上增殖及迁移的影响具有时间依赖性,且图式结构基底本身的微环境因素及细胞形态、密度等其他因素对其的影响更大。此外,抑制ROCK信号通路后对铺展形态较好的FS-2D及N2D细胞其VGCCs功能响应具有抑制作用,而对侧壁上呈球状的3D细胞反而具有促进作用,这一结果与其RGK蛋白Gem的表达呈现出明显的相关性,表明细胞的功能响应与其培养系统及形态特征密切相关。(3)在多细胞水平上研究了大鼠海马NSCs在微小凹图式上的生长行为及其多维培养模型的构建,并评价了图式上NSCs干细胞特性的保持。研究发现微小凹图示上细胞与基底及细胞间的相互作用共同调节细胞的定向迁移及微小凹内聚集体的形成,从而构建出微小凹内以三维聚集体方式生长(MW-3D cells)和图式结构表面以二维贴壁方式生长(TS-2D cells)的NSCs多维培养模型,且无通道微小凹图式早于有通道微小凹图式完成其多维培养模型的构建。而有通道微小凹内更利于其干细胞的长期增殖及干细胞特性的保持,且可用于构建准一维排布的神经细胞网络。(4)通过对图式上海马NSCs诱导分化以研究其图式化神经细胞网络的形成及功能分化成熟等。结果表明图式化结构特征在细胞迁移及神经突起的延伸、排布以及细胞核方向的选择中起重要的引导和限制作用,且微小凹内的MW-3D细胞可作为“种子源”,从而构建出多维度的图式化神经细胞网络。此外,通过免疫荧光染色结合钙离子荧光检测技术研究了NSCs在图式上的功能分化及VGCCs功能响应等,结果表明在图式化神经细胞网络的构建中已成功诱导出具有成熟神经元的树突分布及VGCCs功能响应性特征的神经元。