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川大魏強(qiáng)研究員課題組等 Nano Lett.：纖維柔順性通過協(xié)調(diào)基質(zhì)募集和纖維模量促進(jìn)了細(xì)胞的機(jī)械傳感
2024-03-28  來源：高分子科技

  細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)之間的機(jī)械相互作用在生物系統(tǒng)中是普遍存在的。在纖維基質(zhì)上，細(xì)胞具有招募鄰近纖維的能力，從而增強(qiáng)了自身的粘附性，促進(jìn)了機(jī)械信號的產(chǎn)生。然而，之前的研究表明纖維的招募只能在低模量的纖維上實(shí)現(xiàn)(Nature Materials 2015,14, 1262)，而基質(zhì)模量的降低不利于細(xì)胞的鋪展和細(xì)胞力的施加。因此如何協(xié)調(diào)纖維募集和纖維模量之間的關(guān)系仍然是一個(gè)值得關(guān)注的問題。


  最近，通過利用明膠固有的溶脹特性，他們制備了能夠協(xié)調(diào)纖維募集和纖維模量柔性纖維材料，相關(guān)研究成果發(fā)表在《Nano Letters》上，題為《Fiber flexibility reconciles matrix recruitment and fiber modulus to promote cell mechanosensing》。纖維的高柔順性同時(shí)促進(jìn)了纖維的分布、可變形性和模量的優(yōu)化，有助于促進(jìn)細(xì)胞的機(jī)械傳感。 


圖1. GelMA纖維的制備和表征。


  首先，通過對GelMA的接枝率和靜電紡絲參數(shù)進(jìn)行調(diào)整制備了具有取向和無規(guī)兩種結(jié)構(gòu)且模量可調(diào)控的的GelMA納米纖維（圖1a）。得益于GelMA材料固有的溶脹特性，所制備納米纖維具有較強(qiáng)的柔順性，纖維能夠在一定區(qū)域內(nèi)自由移動（圖1b-f）。 


圖2. HMSCs在水凝膠和柔性纖維網(wǎng)絡(luò)上的機(jī)械傳感。 


圖3. 基于FRET的肌動蛋白張力探針，用于檢測水凝膠和柔性纖維網(wǎng)絡(luò)上細(xì)胞內(nèi)力的水平。

  通過對細(xì)胞內(nèi)力相關(guān)標(biāo)志物進(jìn)行免疫熒光染色和統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合基于Fo?rster共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)技術(shù)的肌動蛋白張力探針，驗(yàn)證了不同材料上細(xì)胞內(nèi)力的水平（圖2，3）。結(jié)果顯示，柔性的引入緩解了先前文獻(xiàn)所敘述的高剛性纖維網(wǎng)絡(luò)對細(xì)胞機(jī)械傳感的不利影響，并且觀察到與排取向結(jié)構(gòu)相比，柔性纖維網(wǎng)絡(luò)的無規(guī)結(jié)構(gòu)促進(jìn)了細(xì)胞內(nèi)力的產(chǎn)生。 


圖4. 纖維募集調(diào)控細(xì)胞黏附。


  纖維的熒光圖像顯示，細(xì)胞在所有模量的纖維網(wǎng)絡(luò)上都表現(xiàn)出較強(qiáng)的纖維募集能力，導(dǎo)致細(xì)胞周圍纖維的大量聚集。而對細(xì)胞內(nèi)力和細(xì)胞黏附能力的破壞會顯著影響細(xì)胞對纖維的重組，并且纖維募集的喪失也會顯著影響細(xì)胞所產(chǎn)生的應(yīng)力水平（圖4）。 


圖5. 細(xì)胞在無規(guī)纖維上的搭橋邊緣增強(qiáng)細(xì)胞張力。


  通過引入描述細(xì)胞形態(tài)和機(jī)械張力之間關(guān)系的二維拉普拉斯定律模型，進(jìn)一步探究了取向纖維和無規(guī)纖維在機(jī)械傳感機(jī)制上的差異。結(jié)果表明，在無規(guī)纖維上，由于細(xì)胞施加的牽引力的方向與纖維的取向方向不同，導(dǎo)致纖維發(fā)生彎曲，從而促使細(xì)胞的邊緣形成搭橋結(jié)構(gòu)，最終促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)力的增強(qiáng)。


  這項(xiàng)研究揭示了纖維募集對細(xì)胞機(jī)械傳感的影響，并介紹了纖維柔順性作為一種以前未被探索的新特性，為新型生物材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了一個(gè)創(chuàng)新的視角。


  文章的第一作者是博士生董翔宇，通訊作者是魏強(qiáng)研究員和劉曉靜博士。


  論文詳情請點(diǎn)擊：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00923 


  下載：Fiber flexibility reconciles matrix recruitment and fiber modulus to promote cell mechanosensing

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