Nature 子刊：細胞在3D培養(yǎng)條件下的機械動力分析

在生物體中，細胞不斷與周圍高度動態(tài)的細胞外基質(zhì)（ECM）相互作用和改造，這使得細胞中各種增殖、遷移、分化和凋亡等生物過程得以實現(xiàn)，但其細胞間的機械作用、細胞外基質(zhì)與細胞運動之間的具體作用關系卻難以證明。

最近，香港中文大學Yi Wang教授和邊黎明教授團隊為解決該問題，設計了一個具有交聯(lián)與解交聯(lián)狀態(tài)可逆的動態(tài)水凝膠，為在生物材料基質(zhì)中3D培養(yǎng)的細胞提供了一個仿真的細胞微環(huán)境，揭示了微觀細胞行為與水凝膠網(wǎng)絡中分子水平結(jié)合動力學之間的相關性。相關研究論文：Enhanced mechanosensing of cells in synthetic 3D matrix with controlled biophysical dynamics發(fā)表在Nature Communications上。

作者首先準備了兩種物理交聯(lián)的超分子水凝膠，他們將透明質(zhì)酸（Hyaluronic acid (HA)）與金剛烷（Adamantane）或膽酸（Cholic acid）結(jié)合，獲得HA-ADA與HA-CA兩種水凝膠。他們具有相似的平衡結(jié)合常數(shù)（Keq）與完全不同動態(tài)結(jié)合常數(shù)（Koff，Kon）。作者發(fā)現(xiàn)，增加HA-ADA的含量，交聯(lián)與解交聯(lián)速度較快（圖1）。

接下來，他們將人骨髓間充質(zhì)干細胞hMSC封裝在上述水凝膠中，并在兩種水凝膠材料中都加入了RGD肽（cRGD）以促進細胞黏附在水凝膠基質(zhì)中�？梢园l(fā)現(xiàn)，在HA-ADA材料中細胞更快且更容易形成擴散的形態(tài)，而在HA-CD材料中細胞容易被限制成球狀（圖2a-c）。同時，免疫熒光顯示HA-ADA材料中的YAP蛋白核內(nèi)轉(zhuǎn)移的含量增加，且細胞形態(tài)擴散及YAP核內(nèi)轉(zhuǎn)移率都隨著HA-ADA在材料中的含量增加而更明顯（圖2e、f）。

于是，作者做出假設，對于在3D環(huán)境中的細胞，水凝膠網(wǎng)絡的動態(tài)交聯(lián)影響了細胞的機械擴散，他們將環(huán)細胞的基質(zhì)視為一個“門”，細胞擴散引起的細胞膜突起需要通過這扇開關的“門”，而“門”的動態(tài)交聯(lián)速率便影響了細胞的擴散速率�；�于此假設，作者在“運動離合器”模型上，結(jié)合了分子動力學（MD）與動力學蒙特卡洛方法（KMC）建立了計算模型，以計算在水凝膠中細胞與周圍水凝膠的結(jié)合動力學之間的關系。他們得出，在每個細胞突出纖維的生長過程中，需要分離多達8個主體-客體之間的交聯(lián)，這被稱為“開門事件”。足夠快的開門事件概率隨著水凝膠中快速交聯(lián)材料含量的百分比的增加而增加（圖3f）。

作者將這一結(jié)論應用到了hMSC的分化中。他們發(fā)現(xiàn)HA-ADA-cRGD水凝膠更能促進hMSC細胞的骨化，包括其骨源標記基因的上調(diào)（圖4a、b），而在HA-CA-cRGD水凝膠中培養(yǎng)的MSC細胞更傾向于分化成脂肪細胞（圖4d）。

鑒于細胞在水凝膠環(huán)境中會產(chǎn)生自身的新生蛋白質(zhì)（ECM），作者還研究了新沉積的ECM與細胞間的關系。作者發(fā)現(xiàn)，18h后，細胞會產(chǎn)生纖連蛋白。添加纖連蛋白的單克隆抗體HFN7.1后，在HA-ADA-cRGD基質(zhì)中的細胞擴散被阻斷，但是在HA-CA-cRGD基質(zhì)中的細胞擴散程度沒有受到影響（圖5a、b）。另外，作者發(fā)現(xiàn)使用細胞松弛素D抑制肌動蛋白后細胞在HA-ADA-cRGD水凝膠中的擴散幾乎被阻斷，用Y-27632抑制rho相關蛋白激酶(ROCK)，β1類整合素抗體處理、也能達到相似的效果，而β3類整合素抗體只在初期起到作用（圖5d、e）。

在這項工作中，作者證明超分子水凝膠中物理交聯(lián)的動能常數(shù)是決定細胞-水凝膠相互作用和3D細胞行為的調(diào)控因素之一。該研究結(jié)果為設計和評估具有細胞適應性特性的超分子生物材料提供了寶貴的指導。

參考文獻

Yang B, Wei K, Loebel C, Zhang K, Feng Q, Li R, Wong SHD, Xu X, Lau C, Chen X, Zhao P, Yin C, Burdick JA, Wang Y, Bian L. Enhanced mechanosensing of cells in synthetic 3D matrix with controlled biophysical dynamics. Nat Commun. 2021 Jun 10;12(1):3514. doi: 10.1038/s41467-021-23120-0. PMID: 34112772; PMCID: PMC8192531.