管哮喘的典型特征是气道高反应性（AHR），患者气道在外界刺激下易发生过度收缩，引发气道狭窄，导致呼吸困难。现今，哮喘已成为全球性的重大慢性非传染性疾病且无根治的疗法，临床上主要依靠β2肾上腺素受体激动剂和糖皮质激素联合治疗达到对症状发展的一定控制，但此类药物具有一定副作用，最重要的是存在脱敏现象和不敏感人群，导致大约50%哮喘患者的症状不能得到有效控制，加之哮喘致病因素复杂和人们对哮喘病理机制，特别是ASMCs力学行为主导的气道收缩机制认识不够深入，使得哮喘的危害日益加剧，似乎难以逆转。因此，亟需深入系统地研究ASMCs的生物力学行为及其与哮喘病理因素的关系，探索新型的哮喘治疗药物和手段，造福人类健康。
1）哮喘易感基因对ASMCs生物力学特性影响及其相关药物开发的研究
1.1）哮喘易感基因ADAM8及其靶向抑制剂对哮喘模型的治疗作用
ADAM8是已知的哮喘相关基因，但目前尚无以ADAM8为哮喘治疗靶点的研究报道。本项目组与德国马尔堡大学Bartsch教授团队合作，采用新型合成的ADAM8抑制多肽BK-1361，通过动物模型研究发现抑制ADAM8可以降低Th2介导的炎症反应从而改善哮喘的主要症状，从而为开发以ADAM8为靶点的新型哮喘药物提供了科学依据（图1）。
1 ADAM8抑制多肽BK-1361对哮喘动物模型的治疗效果和作用机制
该研究成果已发表在：Chen J et al. A novel peptide ADAM8 inhibitor attenuates bronchial hyperresponsiveness and Th2 cytokine mediate inflammation of murine asthmatic models. Scientific Reports, DOI:1038/srep30451, 2016。
1.2）ADAM33对ASMCs生物力学特性改变及机理
ADAM33 是已知特异性表达在ASMCs上的哮喘易感基因，但其对ASMCs力学行为的作用尚不清楚。本研究表明ADAM33过表达引起ASMCs刚度增加，导致KCl刺激后收缩性增加，横向迁移能力增强。同时sADAM33过表达上调α-Actin、Calponin和SM-MHC，促进ASMCs向收缩型转变，表明ADAM33与气道平滑肌表型转变有关（图2），这为AMSCs力学行为异常提供了基因调控的新证据，也为精准治疗气道高反应性提供了新靶点。
2 ADAM33对ASMCs生物力学特性的影响与调控机制
该研究成果已发表在：Duan Y et al. Overexpression of soluble ADAM33 promotes a hypercontractile phenotype of the airway smooth muscle cell in rat. Exp Cell Res, 349(1):109-118, 2016。
2）胞外微环境（长程力、机械拉伸、气道曲面环境、大气环境污染物炎症因子）对ASMCs生物力学行为的影响及其与哮喘病理机制关系的研究
2.1）ASMCs之间长距离交流的生物力学机制及功能
A）I型胶原介导的细胞长程力作用诱导ASMCs的网络结构自组装
细胞外基质对组织形态发生具有重要影响。本研究发现ASMCs在含I型胶原的软基质表面会自组装形成网状结构，I型胶原介导的细胞长程力发挥重要作用（图3）
该研究成果已发表在：钱智莉 等，型胶原与异丙肾上腺素调控三维培养胶上大鼠气道平滑肌细胞的分枝结构形成，生物医学工程研究，38（3）：376-380，2019。
图3 I型胶原介导的细胞长程力作用诱导ASMCs的网络结构自组装
研究发现ASMCs可以通过基质胶上传递的牵张力响应而建立相互间的远距离信号交流，从而促进细胞的定向迁移和群体网格结构的自组装，单个细胞能产生数个精确指向相邻细胞（相隔5-10倍于单细胞直径的距离）的突触生长，该现象依赖于细胞产生的牵张力在基质胶上的长距离传播，细胞同时能重构胞外基质组装胶原纤维网格（图4）。
此项工作为细胞响应基质传递的牵张力（或基质弹性形变），从而诱导细胞间直接的力学反应和定向迁移提供了实验支撑。据此，并综合以往的研究可以推测细胞通过基质牵张力或基质形变的响应而建立远距离的信号交流，犹如具有人们生活中的‘电话交流’功能，为传统的细胞基质硬度响应提供了新的思路。
4 ASMCs通过牵张力响应产生定向迁移并形成网格结构的过程
该研究成果已发表在：Mingxing Ouyang, et al. Sensing Traction Force Induces Cell-Cell Distant Mechanical Communications for Self-assembly. ACS Biomaterials Sci & Eng, 6：5833-5848, 2020，并在ICMAT（Singapore 2019）和ICBME（San Diego, USA，2019）国际会议上口头报告。
B）细胞力学调控的群体运动促进溶液态I型胶原聚合形成胶原纤维
通过在培养液中添加带荧光标记的I型胶原模拟细胞调节的纤维生成，发现培养在基质胶（Matrigel）上的MDCK细胞通过自身运动（受细胞收缩力调节）参与调控胶原纤维的生成，而且细胞分枝形态发生与纤维生成之间存在相互依赖关系（图5）。
5细胞收缩力调节的细胞运动促进溶液中I型胶原生成纤维
本研究提供了一个观察细胞调控胶原纤维组装的可视化方法，并发现细胞从环境中募集胶原分子生成的纤维，后者又介导细胞分枝的形态发生。同时细胞运动是该过程的重要参与因素，显示了细胞-胞外基质相互作用是一个主动的过程，而细胞运动提供了一个动态的力学微环境促进胞外基质的组装。
该研究成果已发表在：Jiajia Wang, Jia Guo, Bo Che, Mingxing Ouyang*, Linhong Deng*. Cell motion-coordinated fibrillar assembly of soluble collagen I to promote MDCK cell branching formation. Biochem Biophys Res Commun, 524:317-324, 2020。
以上两项研究显示，来源于细胞的牵张力可以在基质胶上远距离传递，并在群体作用下形成极化分布，细胞通过感受相邻细胞传递的牵张力而发生定向的突触生长与迁移，并进一步形成网格结构；同时细胞重组基质环境，构建纤维网格结构，为稳定细胞网格提供机械支撑（图6）。
6 ASMCs通过牵张力响应产生定向迁移并形成网格结构的示意图
C）压应力对小窝结构的动态调控作用
小窝结构是一种重要的力学感知结构。我们采用压应力处理转染绿色荧光蛋白标记小窝蛋白的细胞后检测小窝的数量，结果发现小窝的数量迅速降低，随后会发生恢复，随后的研究显示该过程和压力引起的细胞骨架重构相关（图7）。
7 压应力对细胞小窝结构的动态调控作用
部分研究成果已在中国力学大会（2019）口头报告(Mingzhi Luo, et al. Compressive Stress Enhances Invasive Phenotype of Cancer Cells via Piezo1 Activation,医用生物力学, 2019, S1: 125-126)。
2.2）曲面对ASMCs力学行为的影响
本研究从气道微环境出发，为模拟气道内可能存在的凹面和凸面环境，发明了一种三维曲面构建方法，即采用PLA材料和3D打印技术，通过多次倒模和脱模过程构建曲率半径为50 µm、100 µm和150 µm的凹面和凸面阵列组合的PDMS芯片，该方法已获得国家发明专利：罗明志等，一种基于3D打印物体表面凹凸不平特性制备模拟人体管状结构曲面微图形芯片的新方法，ZL 201710041819.6，授权日期：2020.04.23。
8 不同曲率半径凸面上生长的ASMCs所产生θ角的分布规律
利用这一方法构建的三维曲面培养ASMCs发现,无论凹面还是凸面生长的ASMCs在培养48 h后都呈规律排布，且细胞长轴的统计方向与柱面轴所成夹角θ（图8）具有偏向性，揭示了管道环境中弯曲的表界面对ASMCs排列行为的调控，以及对ASMCs表型分化的诱导。
该研究成果应邀在美国胸科学会（ATS）国际大会上报告：Deng, L et al, Micro-curvature environment is a determinant of airway smooth muscle cell orientation and stiffness during early pattern formation in culture, Am J Respir Crit Care Med, 195, A3154, 2017。
2.3）炎症因子介导ASMCs收缩和气道高反应性的机制
9 跨膜蛋白16A介导气道高反应性的作用机制
过敏性炎症参与哮喘气道高反应性的发生，但其内在机制不清楚。本项目组与南京大学合作研究发现，跨膜蛋白16A在炎症因子作用下引起ASMCs膜去极化，从而诱导哮喘动物模型中的气道高反应性症状（图9）。该研究成果已发表在：Wang P et al, Inflammatory mediators mediate airway smooth muscle contraction through a G protein-coupled receptor–transmembrane protein 16A–voltage-dependent Ca2+ channel axis and contribute to bronchial hyperresponsiveness in asthma, J Allergy Clin Immunol, 141(4):1259-1268,2018。
3）大气污染因素对ASMCs和AECs生物力学特性的影响及其信号调控机制研究
3.1）空气细微颗粒物PM2.5的采集和表征
本项目采用PM2.5-2型中流量大气颗粒物采样器，采样滤膜为石英滤膜，在常州市武进区每天24 h连续采集PM2.5，采集地点远离交通主干道。采集的PM2.5细微颗粒用纯水配制成5 mg/mL的悬浮液，超声（300 w）处理20 min进行颗粒分散，配制好的PM2.5悬浮液可在4 ℃冷藏备用，实验前再行超声处理10 min。PM2.5形貌表征方法为：① 将少量PM2.5粉末放在样品台上溅射涂层后，用场发射扫描电镜（SUPRA55，蔡司，德国）观察表面形貌(图10A/C)；② 采用纳米激光粒度及 Zeta 电位分析仪测量悬浮液的粒径分布（图10B）；③ 吸取 20 μL PM2.5悬浮液到云母片上，采用原子力显微镜进行表面形貌表征（图10D-E）。该部分内容已在Joint Seminar with JSPS Core-to-Core Program on Medical Imaging and Computational Modeling in Cardiovascular and Pulmonary Diseases大会报告（2018.11.03-04，上海，邓林红（报告，Mechanically regulated cell pathological behaviors in asthma and tumor invasion）。
10 空气细微颗粒物PM2.5的表征
3.2）纳米颗粒对ASMCs生物力学行为的影响
本研究采用多壁碳纳米管（MWCNTs）处理ASMCs并观察ASMCs的增殖与兴奋性和收缩性，结果显示MWCNTs对ASMCs没有明显的细胞毒性，但抑制细胞增殖和细胞迁移，导致ASMCs内微丝骨架重构和收缩能力下降，并影响细胞钙信号（图11）。
11 MWCNTs对ASMCs收缩特性的影响
该研究成果应邀在美国胸科学会（ATS）国际大会上报告：Deng L et al. Multiwalled carbon nanotubes inhibit migration of airway smooth muscle cells. Am J Respir Crit Care Med, 193,A2470, 2016。
3.3）臭氧刺激AECs对气道成纤维细胞增殖和胶原合成的影响
在AECs和气道成纤维细胞共培养体系中以臭氧刺激AECs后观察气道成纤维细胞的增殖情况，结果发现臭氧刺激后成纤维细胞的增殖和胶原合成升高（图12）。该研究成果已发表在：Wang Y. et al.Effects of ozone stimulation of bronchial epithelial cells on proliferation and collagen synthesis of co-cultured lung fibroblasts. Exp Therap Med，15(5):5314-5322，2018。
12 共培养条件下臭氧刺激AECs导致皮细胞促进成纤维细胞胶原合成
13 细胞氯离子通道调控AECs的力学特性
研究发现细胞内的氯离子浓度增加导致细胞刚度降低和细胞迁移增加，这一现象可能部分地揭示了氯离子参与影响哮喘气道修复进程的机制（图13）。本研究成果已经发表在：Huang W et al. Increased intracellular Cl- concentration improves airway epithelial migration by activating the RhoA/ROCK Pathway. Theranostics, 10(19):8528-8540，2020。
4）基于中医药原理的新型ASMCs舒张剂药物发现与研究
4.1）传统中药常用苦味物质对ASMCs生物力学特性的影响
近年来的研究发现，ASMCs表面苦味受体（TAS2Rs）能被奎宁等TAS2Rs激动剂刺激，使得ASMCs舒张。基于此，本项目对柚皮苷等传统中药常用植物提取的生物活性物质对ASMCs生物力学特性的影响进行了研究。
14 柚皮苷、血根碱对哮喘动物模型气道阻力和ASMCs生物力学行为的影响
柚皮苷、青蒿琥酯和血根碱等是具有祛痰、镇咳和抗炎等生物活性的典型中药苦味物质。以柚皮苷等处理体外培养的ASMCs或Balb/c小鼠哮喘动物模型，结果发现均可显著降低ASMCs的刚度和牵张力，有效降低动物水平的气道高反应性，具有作为治疗哮喘的新型支气管舒张剂的潜力（图14）。
该研究成果已发表在：Wang Y. et al.Evaluation of pharmacological relaxation effect of the natural product naringin on in vitro cultured airway smooth muscle cells and in vivo ovalbumin-induced asthma Balb/c mice. Biomed Reports. 5:715-722, 2016；张艺凡 等，青蒿琥酯对小鼠气道阻力及气道平滑肌牵张力的效应研究,生物医学工程研究，36:191-196, 2017；Luo M.et al. Sanguinarine decreases cell stiffness and traction force and inhibits the reactivity of airway smooth muscle cells in culture. Mol Cell Biomechanics,16(2):141-151， 2019; Luo M. et al. Sanguinarine rapidly relaxes rat airway smooth muscle cells dependent on TAS2R signaling. Biol Pharm Bull,43:1027-1034, 2020；罗明志 等，血根碱对大鼠ASMCs生物力学特性的影响.生物医学工程学杂志，35:583-591，2018。
4.2）传统针刺疗法治疗哮喘的ASMCs生物力学机制
本项目组与上海中医药大学的合作研究发现，传统针刺疗法治疗哮喘病人时，患者血液中金属硫蛋白2（MT2）表达升高，已知MT2与细胞表面肌动蛋白结合蛋白2（TG2）结合，以TG2的小分子拮抗剂作用于体外培养的ASMCs和哮喘动物模型，结果发现ASMCs的细胞刚度、细胞牵张力、细胞迁移率等均发生与ASMCs舒张相应的变化，体内气道高反应性和其它哮喘症状也发生改善（图15），从而证明了TG2是传统针刺治疗哮喘的ASMCs生物力学靶点。该研究成果论文发表在：Yin L. et al. Transgelin-2 as a therapeutic target for asthma pulmonary resistance.Sci Transl Med 10, eaam8604 (2018)。
15 TG2介导ASMCs和气道舒张的作用与机制
5）嵌入平滑肌层的气道组织生物力学建模及仿真研究
5.1）气道模型构建及仿真研究
本研究从临床获取12位患者胸腔高分辨率计算机断层扫描（CT）数据得到正常人体气道的三维数值模型，以及气管狭窄患者的气道数值模型，该模型基于人体真实CT数据，较之其他方法获得的模型更具真实性（图16）。该研究成果已发表在：孙亿民 等，镍钛合金网状气道支架置入术的计算机数值模拟分析. 生物医学工程研究，36:101-106,2017。
16 人体气道模型
5.2）嵌入平滑肌层的气道组织生物力学模型及数值模拟研究
基于气道平滑肌在人体气道中的分布情况，建立一个尽可能真实反应气道平滑肌结构的气道三维有限元模型，并以此模型为基础研究气道平滑肌力学性能改变对气道力学行为的影响。模拟结果表明在气道收缩过程中，气道平滑肌层承受较大应力，且最大应力出现在气道内侧面。平滑肌厚度和刚度的增加，均会导致平滑肌层应力随之增加（图17）。
17 嵌入平滑肌层的气道组织几何模型和平滑肌层有限元模型
该研究成果已发表在：石晓灏 等,平滑肌层增生对气道管壁内应力分布影响的数值模拟研究. 生物医学工程研究, 35:157-161, 2016；37（4）：414-419,2018。
6）气道组织工程生物材料研究
6.1）利用胶原基膜发展新型生物医用材料
通过在胶原体系中可控引入微小气泡构建了具有不同层间距的多层结构的胶原基底材料。这些气泡的存在会改变胶原凝胶成型过程中胶原纤维的排列和间距，调控胶原材料的成型过程，从而获得具有致密或疏松层状结构的均匀胶原基材料，在此基础上，还能够精确构建具有致密-疏松和致密-疏松-致密结构的梯度多层结构胶原基材料（图18）。
18具有层状仿生结构和不同层间距的疏松胶原膜
该研究成果已发表在：Liu Y. et al. A collagen film with micro-rough surface can promote the corneal epithelization process for corneal repair.Int J Biol Macromol, 121:233-238，2019。
6.2）研制具有自愈合功能的抗菌涂层
采用层层自组装技术与Diels-Alder技术将相邻异电荷的聚电解质交联，形成结构稳定且具有自愈合功能的涂层，然后通过“巯基-烯”点击化学将末端带有巯基官能团的抗菌剂接枝到涂层表面，赋予结构稳定且具有自愈合功能的涂层具有抗菌性能（图19）。该研究成果已发表在：周俊涛 等，基于层层自组装技术与季铵盐类抗菌剂接枝制备表面抗菌涂层的研究.生物医学工程研究, 38(3):347-352, 2019。
19 具有结构稳定且自愈合功能的表面抗菌涂层
7）以哮喘等呼吸疾病研究为特色的细胞生物力学检测技术与实验平台研究
7.1）FRET检测技术
本项目组通过与加州大学圣地亚哥分校王英晓教授团队合作，引进了基于MatLab的FRET定量分析软件包，并通过对现有显微镜实验平台的改造升级和补充，建立了高性能的FRET探针制备和影像实验技术体系。采用此体统成功发现血小板生长因子PDGF可以迅速活化ASMCs胞内Fyn激酶的活性（图 20）。
20 利用FRET技术检测ASMCs胞中Fyn激酶活性。
该研究成果部分已发表在：Ouyang M. et al. Sensitive FRET Biosensor Reveals Fyn Kinase Regulation by Submembrane Localization. ACS Sensors，4:76-86, 2019；姚辉 等，基质黏附强度调节PDGF诱导的大鼠气道平滑肌细胞中Fyn激酶活性，生物医学工程研究，2019。
7.3）基于细胞力学特性的肿瘤细胞富集和分型芯片
通过与挪威卑尔根大学合作，设计和制造了一种基于细胞生物力学性质富集和分选（肿瘤）细胞的新型微流控芯片，实验结果表明该芯片概念性验证了从血液细胞中富集肿瘤细胞并对上皮型和间质型肿瘤细胞进行分型的功能（图21），其潜在应用价值将有助于癌症的精准治疗。该研究成果已发表在：Wang X. et al. A microfluidic device for differential capture of heterogeneous rare tumor cells with epithelial and mesenchymal phenotypes. Anal Chim Acta, 1129:1-11, 2020.
21 利用微流控技术富集并特异性俘获上皮和间质型循环肿瘤细胞