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光響應(yīng)水凝膠揭示細胞對快速剛度變化的感知機制

更新時間:2025-03-17      點擊次數(shù):419

你是否想過細胞如何感知周圍環(huán)境的變化?在生物學(xué)領(lǐng)域,細胞力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)是一個關(guān)鍵過程,細胞通過感知和響應(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)條件下進行,對于細胞如何適應(yīng)動態(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),為模擬細胞在體內(nèi)的真實動態(tài)微環(huán)境提供了可能。通過研究細胞在光響應(yīng)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(yīng)基質(zhì)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(dǎo)和最終的功能。這不僅有助于揭示細胞力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)的機制,還為設(shè)計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,用于研究細胞對基質(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胞在靜態(tài)基質(zhì)上牽引力的變化,但在動態(tài)力學(xué)環(huán)境中細胞的適應(yīng)性尚不明確。

  • 動態(tài)微環(huán)境:細胞在組織中處于動態(tài)微環(huán)境中,基質(zhì)剛度會隨時間變化,如組織發(fā)育、疾病狀態(tài)等,這種動態(tài)變化對細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:研究團隊開發(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(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

細胞對基質(zhì)剛度變化的響應(yīng)

  • 牽引力變化:將人骨髓間充質(zhì)干細胞(hMSCs)培養(yǎng)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(yīng)基質(zhì)剛度的變化,在基質(zhì)變軟時牽引力下降,變硬時牽引力恢復(fù)。

  • 累積效應(yīng):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(zhì)剛度變化的頻率有關(guān)。在特定頻率下,細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)剛度變化對牽引力的影響

信號蛋白的積累與作用

  • 磷酸化水平:研究發(fā)現(xiàn),細胞牽引力的增加與機械信號轉(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,這些信號蛋白的磷酸化水平會持續(xù)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(xué)差異。基質(zhì)變軟時,信號蛋白從分子離合器中解離并進入細胞質(zhì),但不會立即去磷酸化;當(dāng)基質(zhì)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(zhuǎn)導(dǎo)。

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    圖3.與信號蛋白積累相關(guān)的細胞牽引力的長期增強
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    圖4.機械轉(zhuǎn)導(dǎo)信號蛋白的緩慢去磷酸化導(dǎo)致其積累
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    圖5.積累的信號蛋白促進機械傳導(dǎo)和牽引力

模型構(gòu)建與驗證

  • 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制,建立了一個新的模型,考慮了機械感知和機械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的相互作用。

  • 模型驗證:通過模擬,模型成功復(fù)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(yù)測了不同條件下細胞的響應(yīng)。

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    圖6.分子模型預(yù)測的底物剛度快速循環(huán)變化時pFAK的積累

生物學(xué)影響與應(yīng)用

  • 細胞功能影響:快速周期性基質(zhì)剛度變化可影響細胞的下游機械響應(yīng),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(yīng)動態(tài)力學(xué)信號提供了新見解,對設(shè)計用于細胞培養(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)剛度變化的下游機械效應(yīng)



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