Small:粗糙界面的细胞力学响应

生物体内,细胞处在由细胞外基质(ECM)、相邻细胞以及体液构成的微环境中,且无时无刻不与微环境发生相互作用。微环境物理力学性质是影响细胞功能发挥的关键因素之一。其中微环境拓扑结构效应对细胞铺展与分化等行为的影响,仍然缺乏深入认知。这主要是由于,制备微纳结构可控的材料界面需求较为复杂的制备手段。大部分研究中,实验对象只能针对特定的几个非连续粗糙度的样品,造成研究不够系统。且大部分研究侧重于材料开发,细胞行为方面仅归纳总结表面现象,未对背后生物学机制深入探索。由于生物系统多样性的原因,系统性与机制理解的缺乏,造成实验数据与结论相互冲突的现象时有发生。

四川大学魏强研究员课题组与柏林自由大学Rainer Haag教授课题组利用仿贻贝粘附高枝化聚甘油高分子(Angewandte Chemie International Edition 2014, 53 (43), 11650-11655),通过控制其分子间团聚与沉淀,在具有倾斜角度的基底材料表面,制得粗糙度从纳米到微米(Ra 53.86 – 1050 nm)范围连续梯度分布的界面涂层。此粗糙度范围覆盖了细胞能够感应的微观分子级到宏观细胞尺度级别,基于此,系统性研究了间充质干细胞对界面粗糙度的力学响应行为与力学信号转导(Mechanotransduction)通路。

研究发现,细胞铺展面积虽然随着界面粗糙度增加而减小,丝状伪足长度与密度、黏合斑(Focal adhesion)形成以及细胞内部张力却在低粗糙度区域随粗糙度的增加而递增,在Ra ≈ 278.64 nm 区域达到峰值后,快递降低。细胞界面结构的三维成像发现,界面细胞膜在垂直方向侵入粗糙界面的沟壑结构,因此细胞力学行为不与细胞在二维方向的铺展面积线性相关。在中低粗糙度区域,随着粗糙度增加,细胞与界面接触比表面积增大,激活更多粘附位点,促进黏合斑与机动球蛋白骨架(Actomyosin)的组装,诱导细胞内部作用力的产生。而在高粗糙度区域(Ra > 400 nm),大尺寸的粗糙结构形成“能垒”,阻碍了细胞膜在水平方向的扩展。由于受到严重的空间限制,机动球蛋白骨架不能有效组装,细胞内作用力被抑制。

通过研究细胞核周蛋白骨架Actin cap与细胞核骨架Lamin A/C,表明细胞骨架作用力能够有效向细胞核传递,并调控染色质凝聚。因此,细胞外界面形貌信息通过细胞内力学作用传递至细胞核染色质。在同样基于细胞力激活的转录调节子YAP/TAZ的参与下,细胞基因表达可被改变。物理力学信号被最终转化为细胞直接识别的生化信号。

间充质干细胞的成骨与成脂分化实验结果表明,界面粗糙度在纳米尺度的增加,通过激活细胞内作用力与力传递,促进细胞分化,特别是成骨分化。而微米尺度粗糙界面在一定程度上限制细胞内部作用力,同时仍然支持细胞界面粘附,有效保持了干细胞的多分化能力。

该研究有助于理解细胞对微环境界面拓扑结构做出的功能性响应,同时能够为生物材料的界面设计提供指导思路。相关论文在线发表在Small(DOI:10.1002/smll.201905422)上。