光響應水凝膠揭示細胞對快速剛度變化的感知機制

來源：東地（北京）科技有限公司 2025年03月17日 14:31

你是否想過細胞如何感知周圍環境的變化？在生物學領域，細胞力學轉導是一個關鍵過程，細胞通過感知和響應力學線索來調節其行為。然而，傳統的研究多在靜態條件下進行，對于細胞如何適應動態力學環境的理解仍很有限。光響應水凝膠的出現為這一研究提供了新的工具。這種水凝膠的剛度可快速、可逆地調節，為模擬細胞在體內的真實動態微環境提供了可能。通過研究細胞在光響應水凝膠上的行為，我們可以更深入地理解細胞如何感知和響應基質剛度的變化，以及這種感知如何影響細胞的牽引力、信號傳導和最終的功能。這不僅有助于揭示細胞力學轉導的機制，還為設計智能生物材料和開發新的生物技術提供了理論基礎。

文章介紹了一種光響應水凝膠，其剛度可快速、可逆地變化，用于研究細胞對基質剛度變化的響應。以下是文章的核心內容：

研究背景

線索，分子離合器模型解釋了細胞在靜態基質上牽引力的變化，但在動態力學環境中細胞的適應性尚不明確。
動態微環境：細胞在組織中處于動態微環境中，基質剛度會隨時間變化，如組織發育、疾病狀態等，這種動態變化對細胞行為的影響需要深入研究。

光響應水凝膠的開發

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

細胞對基質剛度變化的響應

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

信號蛋白的積累與作用

磷酸化水平：研究發現，細胞牽引力的增加與機械信號轉導蛋白（如FAK和Myosin IIa）的磷酸化水平有關。在快速周期性基質剛度變化下，這些信號蛋白的磷酸化水平會持續增加。
分子機制：信號蛋白的積累是由于其磷酸化和去磷酸化的動力學差異。基質變軟時，信號蛋白從分子離合器中解離并進入細胞質，但不會立即去磷酸化；當基質迅速變硬時，這些磷酸化的信號蛋白會重新附著到分子離合器上，增強細胞的機械信號轉導。
圖3.與信號蛋白積累相關的細胞牽引力的長期增強
圖4.機械轉導信號蛋白的緩慢去磷酸化導致其積累
圖5.積累的信號蛋白促進機械傳導和牽引力

模型構建與驗證

模型建立：基于分子離合器模型，結合FAK的磷酸化和去磷酸化機制，建立了一個新的模型，考慮了機械感知和機械信號轉導的相互作用。
模型驗證：通過模擬，模型成功復制了實驗觀察到的細胞牽引力和信號蛋白積累的變化趨勢，并預測了不同條件下細胞的響應。
圖6.分子模型預測的底物剛度快速循環變化時pFAK的積累

生物學影響與應用

細胞功能影響：快速周期性基質剛度變化可影響細胞的下游機械響應，如增強細胞遷移速度、促進成骨分化等。
研究意義：該研究為理解細胞如何感知和響應動態力學信號提供了新見解，對設計用于細胞培養和組織工程的活性生物材料具有重要意義。
圖7.快速循環剛度變化的下游機械效應

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