光響應(yīng)水凝膠揭示細(xì)胞對(duì)快速剛度變化的感知機(jī)制

更新時(shí)間：2025-03-17 點(diǎn)擊次數(shù)：144

你是否想過細(xì)胞如何感知周圍環(huán)境的變化？在生物學(xué)領(lǐng)域，細(xì)胞力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)是一個(gè)關(guān)鍵過程，細(xì)胞通過感知和響應(yīng)力學(xué)線索來調(diào)節(jié)其行為。然而，傳統(tǒng)的研究多在靜態(tài)條件下進(jìn)行，對(duì)于細(xì)胞如何適應(yīng)動(dòng)態(tài)力學(xué)環(huán)境的理解仍很有限。光響應(yīng)水凝膠的出現(xiàn)為這一研究提供了新的工具。這種水凝膠的剛度可快速、可逆地調(diào)節(jié)，為模擬細(xì)胞在體內(nèi)的真實(shí)動(dòng)態(tài)微環(huán)境提供了可能。通過研究細(xì)胞在光響應(yīng)水凝膠上的行為，我們可以更深入地理解細(xì)胞如何感知和響應(yīng)基質(zhì)剛度的變化，以及這種感知如何影響細(xì)胞的牽引力、信號(hào)傳導(dǎo)和最終的功能。這不僅有助于揭示細(xì)胞力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制，還為設(shè)計(jì)智能生物材料和開發(fā)新的生物技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。

文章介紹了一種光響應(yīng)水凝膠，其剛度可快速、可逆地變化，用于研究細(xì)胞對(duì)基質(zhì)剛度變化的響應(yīng)。以下是文章的核心內(nèi)容：

研究背景

線索，分子離合器模型解釋了細(xì)胞在靜態(tài)基質(zhì)上牽引力的變化，但在動(dòng)態(tài)力學(xué)環(huán)境中細(xì)胞的適應(yīng)性尚不明確。
動(dòng)態(tài)微環(huán)境：細(xì)胞在組織中處于動(dòng)態(tài)微環(huán)境中，基質(zhì)剛度會(huì)隨時(shí)間變化，如組織發(fā)育、疾病狀態(tài)等，這種動(dòng)態(tài)變化對(duì)細(xì)胞行為的影響需要深入研究。

光響應(yīng)水凝膠的開發(fā)

材料特性：研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于8臂聚乙二醇（PEG）馬來酰亞胺和光活性黃蛋白（PYP）的水凝膠，其剛度可通過藍(lán)光照射快速、可逆地調(diào)節(jié)。
力學(xué)性能：通過原子力顯微鏡（AFM）和流變學(xué)表征，證實(shí)了水凝膠的剛度在藍(lán)光照射下可快速降低，并在光照停止后恢復(fù)，且其力學(xué)性能的變化是可逆的。
圖1.具有可調(diào)剛度的可逆水凝膠

細(xì)胞對(duì)基質(zhì)剛度變化的響應(yīng)

牽引力變化：將人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSCs）培養(yǎng)在水凝膠上，通過牽引力顯微鏡觀察到細(xì)胞牽引力可迅速響應(yīng)基質(zhì)剛度的變化，在基質(zhì)變軟時(shí)牽引力下降，變硬時(shí)牽引力恢復(fù)。
累積效應(yīng)：延長光照周期可使細(xì)胞牽引力累積增加，且這種增加與基質(zhì)剛度變化的頻率有關(guān)。在特定頻率下，細(xì)胞牽引力可超過在靜態(tài)基質(zhì)上的牽引力，挑戰(zhàn)了分子離合器模型。
圖2.基底循環(huán)剛度變化對(duì)牽引力的影響

信號(hào)蛋白的積累與作用

磷酸化水平：研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞牽引力的增加與機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白（如FAK和Myosin IIa）的磷酸化水平有關(guān)。在快速周期性基質(zhì)剛度變化下，這些信號(hào)蛋白的磷酸化水平會(huì)持續(xù)增加。
分子機(jī)制：信號(hào)蛋白的積累是由于其磷酸化和去磷酸化的動(dòng)力學(xué)差異?；|(zhì)變軟時(shí)，信號(hào)蛋白從分子離合器中解離并進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，但不會(huì)立即去磷酸化；當(dāng)基質(zhì)迅速變硬時(shí)，這些磷酸化的信號(hào)蛋白會(huì)重新附著到分子離合器上，增強(qiáng)細(xì)胞的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。
圖3.與信號(hào)蛋白積累相關(guān)的細(xì)胞牽引力的長期增強(qiáng)
圖4.機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)蛋白的緩慢去磷酸化導(dǎo)致其積累
圖5.積累的信號(hào)蛋白促進(jìn)機(jī)械傳導(dǎo)和牽引力

模型構(gòu)建與驗(yàn)證

模型建立：基于分子離合器模型，結(jié)合FAK的磷酸化和去磷酸化機(jī)制，建立了一個(gè)新的模型，考慮了機(jī)械感知和機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的相互作用。
模型驗(yàn)證：通過模擬，模型成功復(fù)制了實(shí)驗(yàn)觀察到的細(xì)胞牽引力和信號(hào)蛋白積累的變化趨勢，并預(yù)測了不同條件下細(xì)胞的響應(yīng)。
圖6.分子模型預(yù)測的底物剛度快速循環(huán)變化時(shí)pFAK的積累

生物學(xué)影響與應(yīng)用

細(xì)胞功能影響：快速周期性基質(zhì)剛度變化可影響細(xì)胞的下游機(jī)械響應(yīng)，如增強(qiáng)細(xì)胞遷移速度、促進(jìn)成骨分化等。
研究意義：該研究為理解細(xì)胞如何感知和響應(yīng)動(dòng)態(tài)力學(xué)信號(hào)提供了新見解，對(duì)設(shè)計(jì)用于細(xì)胞培養(yǎng)和組織工程的活性生物材料具有重要意義。
圖7.快速循環(huán)剛度變化的下游機(jī)械效應(yīng)