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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):230

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)。


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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:

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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。

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    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。

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    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。基質(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)。

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    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)
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    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
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    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(shì),并預(yù)測(cè)了不同條件下細(xì)胞的響應(yīng)。

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    圖6.分子模型預(yù)測(cè)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。

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    圖7.快速循環(huán)剛度變化的下游機(jī)械效應(yīng)



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