Nature 子刊：細(xì)胞在3D培養(yǎng)條件下的機械動力分析

來源： EngineeringForLife  

在生物體中，細(xì)胞不斷與周圍高度動態(tài)的細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）相互作用和改造，這使得細(xì)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(xì)胞間的機械作用、細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞運動之間的具體作用關(guān)系卻難以證明。

最近，香港中文大學(xué)Yi Wang教授和邊黎明教授團隊為解決該問題，設(shè)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(xì)胞提供了一個仿真的細(xì)胞微環(huán)境，揭示了微觀細(xì)胞行為與水凝膠網(wǎng)絡(luò)中分子水平結(jié)合動力學(xué)之間的相關(guān)性。相關(guān)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(zhǔn)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(xì)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(xì)胞黏附在水凝膠基質(zhì)中�？梢园l(fā)現(xiàn)，在HA-ADA材料中細(xì)胞更快且更容易形成擴散的形態(tài)，而在HA-CD材料中細(xì)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(xì)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(shè)，對于在3D環(huán)境中的細(xì)胞，水凝膠網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)交聯(lián)影響了細(xì)胞的機械擴散，他們將環(huán)細(xì)胞的基質(zhì)視為一個“門”，細(xì)胞擴散引起的細(xì)胞膜突起需要通過這扇開關(guān)的“門”，而“門”的動態(tài)交聯(lián)速率便影響了細(xì)胞的擴散速率。基于此假設(shè)，作者在“運動離合器”模型上，結(jié)合了分子動力學(xué)（MD）與動力學(xué)蒙特卡洛方法（KMC）建立了計算模型，以計算在水凝膠中細(xì)胞與周圍水凝膠的結(jié)合動力學(xué)之間的關(guān)系。他們得出，在每個細(xì)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(yīng)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(xì)胞的骨化，包括其骨源標(biāo)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(xì)胞更傾向于分化成脂肪細(xì)胞（圖4d）。

鑒于細(xì)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(xì)胞間的關(guān)系。作者發(fā)現(xiàn)，18h后，細(xì)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(xì)胞擴散被阻斷，但是在HA-CA-cRGD基質(zhì)中的細(xì)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(xì)胞松弛素D抑制肌動蛋白后細(xì)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(guān)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(xì)胞-水凝膠相互作用和3D細(xì)胞行為的調(diào)控因素之一。該研究結(jié)果為設(shè)計和評估具有細(xì)胞適應(yīng)性特性的超分子生物材料提供了寶貴的指導(dǎo)。

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.