基于纤维的组织工程已成为设计与细胞外基质紧密模拟的支架的关键。胞外基质由具有不同排列方式的复杂纤维网络组成，静电纺丝纳米纤维是组织工程中广泛应用的支架材料，但细胞如何响应不同排列方式的纤维？这一领域长期存在矛盾结论。有研究称规则排列促进骨细胞分化，也有证据显示随机排列效果更佳。这种矛盾源于对细胞感知纤维空间特征的机制认识不足。从机械生物学的角度来看，无论外部条件如何，细胞行为主要受细胞内牵引力的支配。这种力通过肌动蛋白应力纤维产生，并通过粘着斑传递到细胞外基质，然后将机械信号传递到细胞核，影响染色质结构和基因表达。这种机械反馈回路会影响细胞形态、增殖、分化等。因此，了解纤维排列如何调节这些机械传导信号对于理解其对细胞行为的影响至关重要。

   在本研究中，我们使用具有受控排列的聚己内酯电纺纤维基材，模拟了细胞外基质结构，旨在研究纤维排列如何调节机械传导及其对细胞行为的影响。研究结果表明，细胞大小在确定细胞和纤维之间的空间关系方面起着关键作用，直接影响机械传导。跨越多根纤维的较大细胞表现出增强的铺展和增加的机械传导，而限制在纤维间隙内的较小细胞表现出降低的机械传导。尽管排列整齐的纤维始终会沿纤维方向诱导细胞极化，但其潜在机制会根据细胞大小而变化，从而导致不同的细胞行为。通过调整细胞和纤维之间的空间关系，我们证明了这种关系对于调节细胞功能至关重要。这一发现为设计更精准的生物仿生支架提供了关键理论支持，相关成果发表于《Small》期刊。

研究亮点：

1.细胞“大”有可为：
     当细胞宽度超过纤维间隙的5倍（约40微米）时，能够跨越多个纤维，形成强韧的应力纤维，显著提升机械传导活性；而“娇小”细胞（宽度 < 20微米）则被限制在纤维间隙中，机械信号传导受限。

2.空间定位决定细胞命运：
     通过3D成像技术，团队首次揭示细胞在纤维上的两种空间模式：跨越纤维表面的“外向细胞”和困于间隙的“内向细胞”。前者因能形成成熟黏着斑，机械传导效率更高。

3.半排列纤维“神助攻”：
     团队创新开发半排列纤维网络，通过优化纤维间隙与方向，帮助小细胞突破空间限制，显著提升其机械传导能力，为定向组织再生提供新材料策略。

图1. 可控取向电纺 PCL 纤维的制备、表征及其对六种细胞类型形态的影响

图2. 可控排列的电纺纤维上的细胞牵引力和机械转导

图3. 排列纤维上的细胞形态和排列

图4. 细胞在排列纤维上粘附和极化的两种机制

图5. 调整与纤维的空间关系后的细胞机械转导

   从微观细胞到宏观组织，再次印证了“小尺寸决定大未来”的科研哲学。期待这项“细胞户型学”研究，早日转化为临床利器，为再生医学开创新纪元！

团队风采：

通讯作者：

魏强（四川大学高分子科学与工程学院，wei@scu.edu.cn）

刘晓静（山东大学口腔医学院，lxiaojing@sdu.edu.cn）

第一作者：

孙骞（四川大学高分子科学与工程学院）、邱铁诚（四川大学高分子科学与工程学院）

文章链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202410351

魏强老师点评：

细胞响应界面形貌的又一个工作。

我们在之前的课题和文献中都发现，取向电纺纤维在有些时候促进细胞力信号，有些时候不会，一直感到很奇怪。大弟子孙骞发现有时候细胞会掉进纤维之间的缝隙，我们联想到22年我们发表的一篇Small文章，方向细胞取向有空间限制和诱导粘附两种情况，细胞掉进缝隙可能就符合我们之前发现的空间限制情况。于是打算对这个问题进行系统性研究。

铁诚同学从读研开始，便和孙骞一起开展系统性工作，攻克了种种成像技术难题，测试了多种不同的常用细胞，最后验证了我们的猜想。

细胞有在取向纤维表面和嵌入纤维两种情况。较大的细胞在纤维表面，以诱导粘附方式取向，促进细胞肌动球蛋白组装，细胞力信号增强。较小的细胞嵌入纤维，空间限制抑制了肌动球蛋白纤维的延伸，激活的伪足通路，抑制了细胞牵引力。若将纤维取向程度稍微降低，形成一些交叉网络，可以防止细胞嵌入纤维，增强细胞力信号。

这个系列是我刚回国时候的重点方向，近几年陆续出了3篇Nano Letters，1篇Advanced Science，3篇Small。后面可能还会出来一些相关工作，但现在团队重心已经在生理与疾病方向。这个系列每篇都比较精简，硬啃力学机制，从根本上解释清楚一个反常或矛盾现象，也丰富了我们自己对细胞力学感应的认知，我自认为是很成功且有意义的系列研究。

如果加点测序，出几个炫图，找个下游基因，讲所谓的分子机制（测序找到的基本是下游表型，没法解释本质机制），再堆一点动物皮下植入实验验证一下细胞表型，会让文章更符合主流口味，但堆上的数据除了浪费时间浪费经费，还会冲淡真正重要的主题。

最后祝贺孙骞和邱铁诚两位同学，感谢晓静一起指导增强了这个课题。