Nature 子刊：细胞在3D培养条件下的机械动力分析

来源： EngineeringForLife  

在生物体中，细胞不断与周围高度动态的细胞外基质（ECM）相互作用和改造，这使得细胞中各种增殖、迁移、分化和凋亡等生物过程得以实现，但其细胞间的机械作用、细胞外基质与细胞运动之间的具体作用关系却难以证明。

最近，香港中文大学Yi Wang教授和边黎明教授团队为解决该问题，设计了一个具有交联与解交联状态可逆的动态水凝胶，为在生物材料基质中3D培养的细胞提供了一个仿真的细胞微环境，揭示了微观细胞行为与水凝胶网络中分子水平结合动力学之间的相关性。相关研究论文：Enhanced mechanosensing of cells in synthetic 3D matrix with controlled biophysical dynamics发表在Nature Communications上。

作者首先准备了两种物理交联的超分子水凝胶，他们将透明质酸（Hyaluronic acid (HA)）与金刚烷（Adamantane）或胆酸（Cholic acid）结合，获得HA-ADA与HA-CA两种水凝胶。他们具有相似的平衡结合常数（Keq）与完全不同动态结合常数（Koff，Kon）。作者发现，增加HA-ADA的含量，交联与解交联速度较快（图1）。

接下来，他们将人骨髓间充质干细胞hMSC封装在上述水凝胶中，并在两种水凝胶材料中都加入了RGD肽（cRGD）以促进细胞黏附在水凝胶基质中。可以发现，在HA-ADA材料中细胞更快且更容易形成扩散的形态，而在HA-CD材料中细胞容易被限制成球状（图2a-c）。同时，免疫荧光显示HA-ADA材料中的YAP蛋白核内转移的含量增加，且细胞形态扩散及YAP核内转移率都随着HA-ADA在材料中的含量增加而更明显（图2e、f）。

于是，作者做出假设，对于在3D环境中的细胞，水凝胶网络的动态交联影响了细胞的机械扩散，他们将环细胞的基质视为一个“门”，细胞扩散引起的细胞膜突起需要通过这扇开关的“门”，而“门”的动态交联速率便影响了细胞的扩散速率。基于此假设，作者在“运动离合器”模型上，结合了分子动力学（MD）与动力学蒙特卡洛方法（KMC）建立了计算模型，以计算在水凝胶中细胞与周围水凝胶的结合动力学之间的关系。他们得出，在每个细胞突出纤维的生长过程中，需要分离多达8个主体-客体之间的交联，这被称为“开门事件”。足够快的开门事件概率随着水凝胶中快速交联材料含量的百分比的增加而增加（图3f）。

作者将这一结论应用到了hMSC的分化中。他们发现HA-ADA-cRGD水凝胶更能促进hMSC细胞的骨化，包括其骨源标记基因的上调（图4a、b），而在HA-CA-cRGD水凝胶中培养的MSC细胞更倾向于分化成脂肪细胞（图4d）。

鉴于细胞在水凝胶环境中会产生自身的新生蛋白质（ECM），作者还研究了新沉积的ECM与细胞间的关系。作者发现，18h后，细胞会产生纤连蛋白。添加纤连蛋白的单克隆抗体HFN7.1后，在HA-ADA-cRGD基质中的细胞扩散被阻断，但是在HA-CA-cRGD基质中的细胞扩散程度没有受到影响（图5a、b）。另外，作者发现使用细胞松弛素D抑制肌动蛋白后细胞在HA-ADA-cRGD水凝胶中的扩散几乎被阻断，用Y-27632抑制rho相关蛋白激酶(ROCK)，β1类整合素抗体处理、也能达到相似的效果，而β3类整合素抗体只在初期起到作用（图5d、e）。

在这项工作中，作者证明超分子水凝胶中物理交联的动能常数是决定细胞-水凝胶相互作用和3D细胞行为的调控因素之一。该研究结果为设计和评估具有细胞适应性特性的超分子生物材料提供了宝贵的指导。

参考文献

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.