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《ACS Biomaterials Science & Engineering》 取向纳米纤维通过激活Rac相关信号通路促进成肌细胞的极化和肌生成
发布时间:2024-03-05

   细胞外基质(ECM)在调节细胞行为和功能方面起着至关重要的作用。然而,从细胞力学传感的角度来看,细胞外基质形态对肌肉细胞黏附和分化的影响目前尚不清晰。

   最近,我们的研究揭示了取向纳米纤维促进成肌细胞极化和肌生成的原理, 相关研究成果发表在《ACS Biomaterials Science & Engineering》上,题为《Aligned Nanofibers Promote Myoblast Polarization and Myogenesis through Activating Rac-Related Signaling Pathways》。在这项研究中,我们制备了取向和无规的电纺聚己内酯(PCL)纳米纤维来模拟体内天然ECM的结构特征。机制研究表明,纳米纤维的取向通过激活Rac相关的信号通路促进C2C12极化和肌肉发生。而在随机纤维上培养的细胞表现出由RhoA/ROCK通路介导的铺展行为,导致应力纤维形成增加,但成肌分化能力降低。


图1. C2C12细胞在取向(左)和无规(右)纤维上的机械传感机制示意图。 

   首先,通过对静电纺丝参数的调整制备了具有取向和无规两种结构的PCL纳米纤维(图2)。

 

   并通过荧光显微镜对细胞形态进行观察(图3)。取向纤维诱导C2C12细胞的极化和取向,形成了纺锤形的形态,细胞被限制在由取向纤维形成的间隔内,使它们被限制在有限的空间内;而无规纤维网络为细胞提供了丰富的粘附点,使细胞能够不受限制地扩散。


图3. 纤维的结构影响细胞黏附。 

   通过研究细胞力学相关蛋白的表达情况,发现与无规纤维相比,取向结构的存在对细胞内力和力学转导施加了更明显的限制(图4)。C2C12细胞在无规纤维结构上表现出更强的pMyosin和pFAK的表达。同时,细胞在无规纤维上的黏着斑面积也明显大于取向纤维。

图4. 纤维结构影响细胞的力学传感。

   细胞的铺展过程涉及两种不同的机制——基于肌球蛋白的应力纤维形成和伪足的延伸,两者呈现竞争关系。RhoA/ROCK信号可以激活肌球蛋白II的磷酸化,促进肌球蛋白组装形成应力纤维。使用ROCK抑制剂(Y27632)可以阻断肌球蛋白应力纤维型粘连。经Y27632处理后,细胞的铺展面积明显缩小,应力纤维受到干扰。虽然随机纤维上的细胞长径比略有增加,但观察到更多的丝状伪足;而取向纤维上的细胞没有受到明显的影响(图5a,e,f)。这些结果表明,取向纳米纤维可能转变了C2C12成肌细胞的黏附途径。在C2C12细胞培养中引入了针对Rac相关途径的抑制剂,包括Rac抑制剂NSC23766、Arp2/3抑制剂CK666和CDC42抑制剂ZCL278。这些处理对取向纤维上的细胞铺展面积和细胞纵横比显示出明显的抑制效果,而对无规纤维上培养的细胞影响很小(图5b-f)。这些发现表明,取向结构激活了RAC相关的信号通路,导致对伪足粘附的依赖性增加。相反,随机纤维上的细胞主要依赖于RhoA/ROCK诱导的应力纤维型黏附。

图5. 取向纳米纤维激活了RAC相关的信号通路。

   通过对取向纤维上C2C12成肌分化进行评估,发现纤维的取向结构通过激活RAC相关的途径,导致了细胞更快地融合,从而促进了成肌细胞分化为肌管(图6)。RAC抑制剂的加入,导致了取向纤维上肌管的形成水平下降到与无规纤维相同的水平,但对随机纤维上细胞的肌管形成无明显影响。说明纤维的取向结构通过Rac信号通路促进了C2C12的肌肉生成。

图6. 纤维结构通过Rac信号调节C2C12的肌肉生成。

   这项研究发现并强调了细胞外基质结构在肌肉再生和损伤修复中的关键作用,为肌肉损伤疾病的机械传感机制提供了新的见解。

 

      文章的第一作者是博士生董翔宇和已毕业硕士生苏姗,通讯作者是魏强研究员和胡倩医生。

论文详情请点击:https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.4c00127