在生物材料和再生医学等领域，如何通过材料设计调控细胞响应一直是个重大的科学技术问题。在抵抗细胞黏附的高分子水凝胶表面固定促进细胞黏附的活性短肽RGD（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸）得到具有纳米图案化表面，有助于揭示细胞黏附配体的空间分布对于材料表面细胞行为的调控规律。传统观点认为，稳定的细胞黏附导致的更高的细胞内张力是促进间充质干细胞（MSC）成骨分化的关键。然而，复旦大学丁建东团队之前基于其创建的高分子水凝胶表面RGD纳米图案的精准控制技术，发现大的RGD间距虽然不利于细胞黏附、却促进了骨髓基质干细胞的成骨分化。生物材料表面的纳米信号如何传导到细胞内部、并调控干细胞分化，成为一个新的基础科学问题。四川大学魏强研究员团队和复旦大学丁建东教授团队经长期合作，不仅再现了这个规律，还最终揭示了这个貌似“反常”的细胞-材料互作规律背后的细胞力学传导机制，结果在美国科学院院刊PNAS联合发表。
这个基础研究的科学突破点在于，考虑介导生物材料影响细胞行为的“张力”时，不仅需要考虑细胞质中肌动蛋白的自组装网络，还需要关注细胞核内部的肌动蛋白网络。这一“反常”现象凸显了一个全新的细胞力学感知机制：肌动蛋白核转位通过增加核张力，直接调控成骨分化。
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一．反常现象：细胞力降低，成骨反增强？
研究团队利用嵌段共聚物胶束纳米光刻技术，精确制备了不同RGD间距的纳米图案化水凝胶材料（图1A, B）。通过系统实验，他们观察到以下关键现象：
1.RGD大间距促进成骨分化：
・成骨标志物上调：尽管细胞铺展面积较小，RGD间距为150 nm的表面显著促进了早期成骨标志物osterix的表达（图1D）、碱性磷酸酶（ALP）活性（图1E），以及成骨基因（RUNX2、IBSP）的转录水平（SI）。
2.RGD大间距导致细胞力下降：
・黏着斑缩小：在RGD间距为150 nm的表面上，细胞黏着斑的长度和面积显著减少（图2A），表明细胞与基底的黏附减弱。
・细胞骨架张力降低：磷酸化肌球蛋白IIa水平降低（图2B, C），且肌动蛋白FRET张力探针显示细胞肌动球骨架张力显著下降（图2D）。
・逆向流动加快：actin retrograde flow速度加快（图2E），表明细胞骨架动态性增强，细胞与基底的粘附稳定性降低。
矛盾点：传统理论认为，成骨分化需要稳定的粘附和较高的细胞骨架张力，但这一研究却揭示了“低细胞力-高成骨活性”的反常关联。这一现象如何解释？
图 1. 配体间距对MSC黏附与成骨分化的相反影响：小间距（30 nm）促进细胞黏附但抑制成骨分化，而大间距（150 nm）抑制细胞黏附却促进成骨分化。
图 2. 不同配体间距下细胞力的差异：小间距（30 nm）上的细胞力大于大间距（150 nm）上的细胞力。
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二．机制突破：大间距的纳米图案表面上，细胞核张力增大驱动成骨分化
为了破解“低细胞力-高成骨活性”的反常现象，研究团队经过多方面探索，最终聚焦到细胞核力学，发现尽管细胞骨架力减小，细胞核张力却显著增大，而这一现象的关键驱动因素是肌动蛋白的核转位。
1.RGD大间距增强细胞核张力：
・核骨架组装增强：在RGD间距为150 nm的表面上，核张力显著增加，表现为核骨架蛋白lamin A/C的表达和组装增强（图3A-3C）。
・核形态变化：核高度和体积显著增大（图3B），核模量增加（图3D）。
・染色质松散：核张力增加导致染色质结构松散（图3E），组蛋白H3K27乙酰化水平升高（图3F），基因转录活性增强。
原因：肌动蛋白核转位增加核张力
・G-actin入核：大间距配体导致细胞粘附失稳，细胞质中actin“组装-解离”动态性增加，形成更多的G-actin单体，它们通过内输蛋白importin 9被转运至细胞核（图4C）。
・核内F-actin组装：G-actin转运至细胞核后，重新聚合成F-actin（图4A, 4B），进一步增加核张力。
图 3. 不同配体间距下细胞核张力的差异：大间距（150 nm）上的核张力大于小间距（30 nm）上的核张力，表现为核骨架Lamin A/C组装增强，核高度、体积增大，核模量增加，染色质松散。
图 4. 不同配体间距下核内actin的差异：大间距（150 nm）上更多的G-actin被转运至细胞核、并聚合成F-actin。
2.核张力调控成骨分化的关键通路
YAP和钙离子是成骨分化中已被广泛研究的核心信号分子。研究团队通过检测它们在RGD间距上的差异，揭示了配体间距如何通过核张力调控这些已知的成骨信号通路（图5）。
（1）YAP活性释放
在150 nm RGD间距表面，核张力增加促使核内F-actin与SWI/SNF复合物结合，导致YAP解离并激活成骨基因转录。
（2）钙离子信号增强
钙离子来源：内质网（ER）而非细胞外。在RGD间距为150 nm的表面上，细胞膜上的机械敏感钙通道（如Piezo和TRPV4）表达显著降低，导致细胞膜钙内流减少。然而，核张力增加上调了IP3受体（IP3r）的表达，触发ER释放钙离子。
钙信号特征：钙离子从核周ER区域向细胞质扩散，表现为周期性的钙离子振荡信号。
图5. 黏附配体间距增大，间充质干细胞粘附失稳，肌动蛋白“组装-解离”平衡被破坏，形成更多肌动蛋白单体（G-actin），促进其进入细胞核，并在核内重新组装，增加核张力，开放染色质，激活YAP，启动成骨分化；并激活内质网钙离子通道，释放钙离子，促进成骨。
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结语：从反常到突破，探究细胞与材料相互作用的内在机制
这项研究从“低细胞力-高成骨活性”的反常现象出发，揭示了肌动蛋白核转位通过核张力直接调控干细胞成骨分化的新机制。它不仅解答了细胞如何感知纳米级配体分布的谜题，更阐明了核力学信号在干细胞分化中的关键作用。未来，基于此机制的新型生物材料有望在骨修复等领域实现突破，为再生医学带来新的进展。
这个基于长期工作凝练的论文由刘晓静博士后、张曼博士后、王鹏博士后为共同第一作者，涉及多个年级的硕士生和博士生等为共同作者，丁建东教授和魏强研究员为共同通讯作者。
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通讯作者简介：
丁建东，聚合物分子工程全国重点实验室主任，复旦大学高分子科学系教授。1998年获国家杰出青年科学基金资助，入选数个国家级人才计划，当选国际生物材料科学与工程学会联合会Fellow。在医用材料构建以及细胞与材料作用规律解析方面做出了一些决定性实验，丰富了具有适宜细胞响应的再生生物材料的理论体系；基础研究引领的全链条合作“获得了中国和欧盟的医疗器械注册证，在国内外进行了大规模示范应用”。
魏强，四川大学高分子科学与工程学院研究员，聚合物分子工程全国重点实验室访问学者。获国家“海外高层次人才引进计划”青年项目，国家优秀青年科学基金。研究聚焦于细胞感应微环境物理力学信号、及细胞力信号传递与转导调控基因转录的机制，并实现人细胞外基质的量产与组织工程应用，在Cell Stem Cell、PNAS、Science Advances等杂志发表数十篇论文。
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论文信息：
Xiaojing Liu#, Man Zhang#, Peng Wang#, Kaikai Zheng, Xinlei Wang, Wenyan Xie, Xiaokai Pan, Runjia Shen, Ruili Liu, Jiandong Ding*, Qiang Wei*. Nanoscale distribution of bioactive ligands on biomaterials regulates cell mechanosensing through translocation of actin into nucleus. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 10.1073/pnas.2501264122 (2025).
论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2501264122
魏强老师点评：
2015年我刚刚加入Joachim Spatz组，从高分子化学转变到生物物理领域开启博士后研究工作，也刚刚接触到Joachim开创的调控细胞ligand间距的BCMN技术。对新领域开启文献学习，便立即读到丁建东老师在Nano Letters、Biomaterials等杂志上最新发表的RGD ligand间距调控间充质干细胞（MSC）分化的系列工作，立刻被精细的研究深深吸引（丁老师曾和Joachim在早期共同开发BCMN技术）。
丁老师发现ligand间距增大，细胞粘附失稳，促进MSC成骨分化，并提出肌动球蛋白骨架解离促进分化的新模型。
但后面几年，随着细胞力信号调控成骨分化的研究越来越多，细胞力学领域总结出稳定的细胞骨架和增强的骨架牵引力才能促进细胞成骨分化，国际上开始质疑丁老师的研究发现。
我在本硕读书的时候便有幸多次参加丁老师的讲座，也有师兄进入丁老师课题组读研，知道丁老师对数据的严格要求，不太可能出现错误结果。
好奇心驱使我在Joachim组的时候独立重复了丁老师的实验，得到了相同结果！这个明显与当下理论不符的结果一直萦绕在心头。
回国不久，迎来和丁老师深入交流的机会。2020年1月（疫情前的最后一次出差），吉大主办6个高分子相关国重的交流会，作为复旦聚合物国重主任的丁老师点评我的工作，我们便进一步在会后讨论了ligand间距如何调控成骨分化的问题，决定联合攻关。
随着我们展开细胞力调控染色质构象的相关工作的进展，我坚信成骨分化基因一定是在受力状态才能表达，而染色质直接感应的是细胞核张力。因此我们决定从内向外反推，研究细胞内力传递的各个节点的状态变化。方向大间距表面，细胞虽然缺乏骨架张力，但核张力仍然提升。
这又带来下一个关键问题，按照现有理论，骨架张力通过LINC复合体将力传递至细胞核，才能促进核张力，但在这个反常现象中，细胞核张力又怎么被触发的呢？
最后我们注意到另一个重要现象，与soft表面细胞粘附受限不一样，大间距表面细胞不断迁移，想找到新的粘附平衡点。这提示我们，actin骨架在不断聚合-解聚，胞质内actin单体浓度增加，从动力学上可增加actin进核程度。
有了思路，后面便变得容易。成功观察到actin在核内聚集为tilted actin，敲低转运actin入核的输入蛋白importin9，核张力降低，验证了核心hypothesis。
后续又发现核actin通过结合SWI/SNF激活YAP，核张力激活内质网钙离子通道释放内质网钙离子（细胞膜离子通道由于骨架张力和缺失，激活受限），进一步促进成骨程序。
当然，实际的研究过程蜿蜒曲折，惊心动魄，荡气回肠，经过多年磨砺，终于成文发表。
整个机制揭示部分，就是这样一步一步硬推出来。关键因子并没有在RNAseq上出现高表达，用seq看到的变化基本是最终的表型，很难找到真正的上游原因。
感谢所有为这个课题付出的老师同学们，特别是晓静、王鹏、凯凯等，在最艰难的时候让课题得以延续和完成。
和丁老师的合作，深刻体会到丁老师严谨的科研思路和态度，令我和所有团队师生受益匪浅。