Small:几何形貌诱导细胞极化的不同机制

细胞极化存在于各种组织中,调节细胞的行为和功能。空间约束(空间限制细胞延伸方向)和粘附诱导(引导粘附体生长)是微环境几何形貌诱导细胞极化的两种主要方法。两种方式诱导下,细胞极化的形貌相似。然而,其内在机制及其对下游功能的影响尚不清楚。

四川大学魏强研究员团队联合四川大学徐家壮教授团队设计制作相互正交交叉的微米与纳米复合沟槽作为材料模型,分别模拟空间约束和粘附诱导作用。虽然两种结构的极化细胞形态相似,但诱导细胞极化的信号通路及其下游功能明显不同。粘附诱导(纳米沟槽)导致粘着斑形成,激活RhoA/ROCK通路,增强肌球蛋白为基础的细胞内力;而空间约束(微米沟槽)主要激活伪足的形成。粘附诱导引起的细胞内力增强,造成细胞核染色质去凝聚,促进干细胞成骨分化。

人们通常使用对齐拓扑的生物材料来诱导细胞极化以模拟天然组织,如沟槽、取向纤维等。这些取向结构通常遵循两个引导细胞极化的方法。一种是细胞受到空间限制,这主要在微米尺度图案上引导细胞伸长。而另一种,材料界面取向形貌塑造细胞粘附体极化,进而诱导整个细胞的极化。在此,通过拉伸模压成型的PCL基板(“flat”)后,由于材料的表面屈曲,会在沿拉伸方向出现微米凹槽(表示为“micro”)。通过复生结晶进一步获得垂直拉伸方向上的纳米凹槽(表示为“nano”)(图1)。该材料模型具有正交的微米与纳米沟槽,可更清楚地分析两种情况对细胞极化的影响。

图1. 相互垂直交叉的组合微米和纳米凹槽的制造方案。

细胞粘附实验发现,细胞在“flat”表面上以随机方向铺展;细胞通过“micro”表面上的空间约束效应极化到凹槽阵列方向;尽管微米凹槽(空间约束效应)存在于纳米凹槽的正交方向,但细胞在“nano”表面的粘附诱导效应刺激下,极化到纳米凹槽阵列方向(图2)。

图2. 细胞粘附和极化的示意图。

进一步对细胞力的相关蛋白肌球蛋白II进行表征发现肌球蛋白在“nano”上表达量显著增加,表面细胞对微米(空间约束)与纳米(粘附诱导)方向的选择可能基于细胞内作用力。利用Blebbistatin(Blebb)限制细胞内作用力,细胞极化从纳米凹槽方向改变为微米凹槽方向(图3)。而用Calyculin A(CL-A)增强细胞内作用力,促进细胞突破“micro”表面上的微米凹槽屏障。

图3. 细胞内作用力依赖性的细胞极化。

进一步探究了空间限制和粘附诱导引起的细胞粘附和极化的信号通路。抑制 RhoA/ROCK 信号会限制细胞在纳米沟槽方向的极化。而抑制Rac-Arp2/3或CDC42/Formin信号会降低微米沟槽表面细胞的极化程度(图4)。

图4. 由空间限制和粘附诱导引起的细胞粘附和极化的信号通路。

通过对粘着斑的荧光标定发现,细胞在“flat”表面、“nano”表面上形成粘着斑,“micro”表面没有形成粘着斑。抑制粘着斑的形成会阻碍细胞在纳米沟槽方向的极化(图5)。

图5. 纳米沟槽通过粘着斑促进细胞极化(粘附诱导效应)。

该研究首次发现空间限制效应和粘附诱导效应造成的细胞极化具有不同的机制。粘附诱导效应激活细胞内作用力,造成细胞核染色质去凝聚,激活力下游基因,促进干细胞成骨分化等力学下游细胞功能。而空间限制效应主要促进伪足生成,不能有效调控力下游基因的表达(图6)。此研究是细胞极化和机械感知的新突破,可为界面生物材料的设计提供指导性意见。

图6. 空间限制效应(左,微米沟槽)和粘附诱导效应(右,纳米沟槽)引起的细胞极化机制示意图。

文章的第一作者是四川大学硕士研究生刘威孙骞,通讯作者为魏强研究员徐家壮教授

论文信息:

Topographic Cues Guiding Cell Polarization via Distinct Cellular Mechanosensing Pathways

Wei Liu, Qian Sun, Zi-Li Zheng, Ya-Ting Gao, Guan-Yin Zhu, Qiang Wei*, Jia-Zhuang Xu*, Zhong-Ming Li, Chang-Sheng Zhao

Small

DOI: 10.1002/smll.202104328

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202104328