Nanopatterning of advanced research tools to harness the mechanobiology of cell-matrix interaction for stem cell expansion
先进研究工具的纳米图案利用细胞-基质相互作用的机械生物学来进行干细胞扩增
基本信息
- 批准号:RGPIN-2016-04043
- 负责人:
- 金额:$ 2.04万
- 依托单位:
- 依托单位国家:加拿大
- 项目类别:Discovery Grants Program - Individual
- 财政年份:2019
- 资助国家:加拿大
- 起止时间:2019-01-01 至 2020-12-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Pluripotent stem cells (PSC), which can give rise to different cell types of all three germ layers, are excellent models to study tissue development and lineage commitment in vitro. While conventional culture conditions for PSCs focus on biochemical definition, biophysical cues that are present in the stem cell niche are not incorporated in vitro. Our previous studies have demonstrated the significant influence of topography on stem cell fate determination through the involvement and restructuring of focal adhesion. Yet the biophysical regulation of PSC pluripotency maintenance and lineage commitment in the in vitro niche remains a mystery. We hypothesize that 1) biophysical cues such as nanotopography regulate pluripotency maintenance via a focal adhesion-signaling pathway; 2) a suitable biophysical environment and biochemical factor can work synergistically to enhance human PSC maintenance; and 3) advanced nanofabrication techniques can fabricate nanopatterned tools and 3D bioreactors for stem cell expansion.***Nanofabrication technologies enable breakthroughs in microelectronics, optics, and in vitro biological systems to study cell-matrix interaction. However, 2 key factors limit the application of nanotopography for stem cell-biology studies and industrial scale-up of cell expansion: the properties of the patterning materials, and conventional 2D patterned culture surfaces, respectively. Therefore, in the proposed research program, we aim to ***1) develop nanopatterned research tools with tunable mechanical properties and refractive index to enable the study of cell-matrix interactions through super-resolution microscopy; ***2) investigate the cell-matrix interaction during pluripotency maintenance to harness the optimal biophysical conditions that enhance PSC expansion; ***3) develop a 3D nanopatterned bioreactor for PSC expansion; and ***4) apply bioreactor and nanotopography tools in scaling up the production of PSC for research.***Our innovative approaches and research program will develop new research tools to study stem cells. With the new tools, the program will lead to new insights in stem cell biology research by providing a deeper understanding of the biophysical regulation of PSC lineage commitment. This will be a significant contribution to the stem cell and mechanobiology research communities. A minimalistic, biophysically- and biochemically-defined niche for stem cell expansion will also provide an effective means to meet the rigorous demand for consistent and reproducible cells needed for different applications such as biological studies or drug development. ***Ultimately, this program will yield new, potentially patentable devices and concepts that are applicable to many research areas and will help grow Canada's biotechnology industries. It will also produce the next generation of bioengineers for these vital academic and industrial communities.
多能干细胞(PSC)可以产生所有三个胚层的不同细胞类型,是体外研究组织发育和谱系定型的极好模型。虽然PSC的常规培养条件集中在生物化学定义上,但在干细胞龛中存在的生物物理线索不在体外并入。我们以前的研究已经证明了地形通过参与和重组粘着斑对干细胞命运的决定有重要影响。然而,PSC多能性维持和谱系定型在体外生态位中的生物物理调节仍然是一个谜。我们假设:1)生物物理学线索,如纳米形貌,通过局部粘附信号传导途径调节多能性维持; 2)合适的生物物理学环境和生化因子可以协同作用,以增强人类PSC维持; 3)先进的纳米制造技术可以制造纳米图案化工具和3D生物反应器用于干细胞扩增。纳米纤维技术使微电子学、光学和体外生物系统研究细胞-基质相互作用的突破成为可能。然而,两个关键因素限制了纳米形貌在干细胞生物学研究和细胞扩增工业规模扩大中的应用:图案化材料的性质和传统的2D图案化培养表面。 因此,在拟议的研究计划中,我们的目标是 *1)开发具有可调机械性能和折射率的纳米图案化研究工具,以通过超分辨率显微镜研究细胞-基质相互作用; *2)研究多能性维持期间的细胞-基质相互作用,以利用增强PSC扩增的最佳生物物理条件;*3)开发用于PSC扩增的3D纳米图案化生物反应器;以及 *4)应用生物反应器和纳米形貌工具来扩大PSC的生产以用于研究。我们的创新方法和研究计划将开发新的研究工具来研究干细胞。 有了新的工具,该计划将通过提供对PSC谱系承诺的生物物理调节的更深入理解,为干细胞生物学研究带来新的见解。 这将是对干细胞和机械生物学研究界的重大贡献。用于干细胞扩增的最小化的、生物药理学和生物化学定义的小生境也将提供有效的手段来满足对不同应用(例如生物学研究或药物开发)所需的一致性和可再生细胞的严格需求。 * 最终,该计划将产生新的,可能获得专利的设备和概念,适用于许多研究领域,并将有助于加拿大生物技术产业的发展。它还将为这些重要的学术和工业社区培养下一代生物工程师。
项目成果
期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
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RGPIN-2016-04043 - 财政年份:2020
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