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《Nano Letters》纤维图案取向和模量对细胞机械响应的协同影响
发布时间:2024-05-15

   许多研究已经探索了纤维基底对细胞功能和行为的影响(如细胞介导的纤维募集、基质反冲和快速细胞易位),但细胞在更复杂的纤维微环境中的行为仍然难以捉摸。从物理学的角度来看,纤维基底对细胞的物理影响来自于纤维取向和模量。事实上,许多研究揭示了取向几何形状对细胞粘附的重要性,并试图关注一个模量范围(从柔软到坚硬)内取向纤维形貌的作用。然而,在不同模量环境中保持纤维形态统一仍然是一个挑战。这种取向度和模量的结合可以驱动细胞粘附中的机械反应机制,从而导致细胞粘附力学和功能的独特模式。

   在这里,我们提出了一种利用聚乙二醇(PEG)水凝胶转移静电纺丝纳米纤维表面形貌的新方法。该方法有助于创建具有可控模量的纤维形貌的水凝胶,同时保持纤维形貌的一致性。结果显示,无规纤维形貌的低模量水凝胶上的细胞相较于取向纤维形貌的低模量水凝胶表现出更佳的机械传感能力,而在高模量水凝胶上具有排列形貌的区域比具有随机形貌的区域表现出更好的细胞机械转导。同时,人类脂肪干细胞(hASCs)的成骨分化趋势与我们在细胞机械传感方面的发现一致。机理研究和生物物理模型表明,细胞力作用下的纤维图案的变形和细胞粘附的取向共同影响细胞的机械感应和功能行为。

图1.具有纤维形貌的凝胶基底的制备和表征

图2. 具有对齐和随机拓扑的低模量和高模量水凝胶上的细胞粘附

图3.hASC在纤维形貌的凝胶基底上的机械传感

   使用了改良的牵引力显微镜(TFM)分析细胞引起的各种基质变形情况。该测定通常基于混合在水凝胶基质中的荧光微珠的位移。与低模量对齐基底上的细胞相比,低模量随机基底上的细胞诱导荧光微珠更大的位移。随着基质模量的增加,微珠位移明显减少。有趣的是,刚性对齐基底上的细胞比刚性随机基底上的细胞产生稍微明显的基底变形。可以合理地推测细胞对机械力的适应可能涉及基质变形的变化。

   为了进一步探讨其潜在机制,我们用肌球蛋白-II ATP酶活性的特异性抑制剂blebbistatin处理细胞,以有效抑制细胞内收缩,因为变形可能是由较大的细胞牵引力或较低的图案刚度引起的。用低浓度的肌球蛋白II处理有效地将在同等模量不同形貌的细胞的肌球蛋白II的激活水平抑制到一致的程度。在高模量水凝胶上,对齐形貌的水凝胶中的微珠位移有效地减少到与高模量随机形貌水凝胶相当的水平,从而证明了基质变形和细胞收缩性之间的完全相关。然而,具有随机形貌的低模量水凝胶基底继续表现出高微珠位移,甚至在细胞收缩性受到抑制后也是如此。这表明在低模量水凝胶上观察到的随机图案明显更容易被细胞产生形变。利用可变形基质进行细胞粘附可以更好地促进细胞力的产生。

   进一步评估细胞粘附斑的形成,以解释不同水凝胶上图案变形的独特特征。对齐的低模量水凝胶上的细胞主要形成弥漫性新生粘连,而随机形态上的细胞形成明显的成熟粘着斑。相反,粘着斑对地形特征的响应在高模量水凝胶上呈现出相反的趋势。粘着斑形成与上述机械转导活动保持一致的趋势。在对齐的图案上,细胞倾向于形成沿着连续图案结构拉长的排列的粘着斑。相反,随机图案上的粘着斑方向并不严格遵循纤维方向,而是跨越纤维图案,导致角度偏离纤维方向。粘着斑的方向由细胞牵引的方向决定。粘着斑和图案方向之间的相关性可能导致不同程度的基底图案变形。这种可变性是细胞在具有不同模量的水凝胶上切换传感模式方向的能力的基础。

   我们引入了线性弹性纤维网络模拟来模拟纤维形态环境中细胞牵引力的反馈。这中模拟强调了纤维形貌的基底在应变下表现出硬化。在模拟过程中,沿着不同方向的纤维在右侧随机点施加水平向右的力。据观察,垂直于纤维方向施加的力比平行于纤维方向施加的力引起更明显的变形。该模型计算纤维状水凝胶的模量为  E0为纤维网格的基本模量,Ef 为应变刚化的贡献,遵循幂律关系 施加增加的外部应变改变了模量,使其偏向更高的值。此外,模拟采用了由肌球蛋白马达、被动细胞质元件和肌动蛋白丝组成的一维细胞骨架模型来研究细胞反应。不同方向的纤维基质上的初始各向同性收缩性诱导了各向异性应力场。这些导致沿基底施加的拉应力方向力偶极子密度增加和细胞收缩性(ρ)增强。在较硬的基材上注意到更大的反馈力,导致应力(σ)极化。这种极化与最大拉伸主应力方向上的细胞骨架硬化同时发生,表明在该方向上形成了应力纤维。

   对于低模量基底,随机图案的这种角度偏差在促进细胞有效的基质募集变形方面发挥了至关重要的作用。然而,对齐的基底不利于细胞产生变形,不能支持粘着斑成熟。在高模量基底上,细胞不能使图案变形,随机图案上的各种延伸方向抑制粘着斑 随机图案的不连续结构阻碍了粘着斑的延长,而排列图案的连续结构则有利于粘着斑的延长。这支持了纤维模式的模量和募集共同调节细胞机械传感的结论,强调了细胞环境和机械生物学反应之间复杂的相互作用。

图4.细胞介导的基质变形影响细胞机械传感

图5. 通过细胞力转导实现了形貌特征和基质模量对细胞成骨分化趋势的协同作用

   在这项研究中,我们揭示了细胞机械传感中模拟 ECM 纤维结构的方向和模量之间微妙相互作用的见解。我们的研究结果表明,基底变形和粘着斑方向之间的协同效应主导着细胞机械传感和机械转导。它强调了地形特征和基质模量在协同影响细胞行为中的重要性。 

   文章的第一作者是博士生孙骞和硕士生潘晓锴,通讯作者是魏强研究员和王鹏博士。

   论文详情请点击:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01352