清華新聞網(wǎng)12月22日電 細(xì)胞的生理活動(dòng)十分依賴(lài)于與細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）之間的力學(xué)相互作用。在神經(jīng)修復(fù)領(lǐng)域，ECM的牽引行為可以顯著促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的可塑性，包括軸突延伸、定向排列、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子表達(dá)及再髓鞘化等，從而幫助受損神經(jīng)恢復(fù)功能連接。然而目前人工合成的水凝膠基質(zhì)大多為靜態(tài)的剛度或黏彈性力學(xué)調(diào)控，難以再現(xiàn)ECM中普遍存在的動(dòng)態(tài)牽引行為，限制了細(xì)胞的三維深層浸潤(rùn)與神經(jīng)功能重建。
圖1.負(fù)應(yīng)力模擬天然ECM的牽引行為以重塑細(xì)胞
針對(duì)這一難題，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院耿洪亞助理教授團(tuán)隊(duì)基于在低溫生物工程和控冰技術(shù)方面的積累，開(kāi)發(fā)了一種具有仿生天然細(xì)胞外基質(zhì)的“負(fù)應(yīng)力”效應(yīng)的膠原蛋白水凝膠（F-gel），該材料能在外力壓縮時(shí)，沿加載方向產(chǎn)生主動(dòng)的牽引力（負(fù)應(yīng)力），而非傳統(tǒng)材料被動(dòng)的抗壓阻力（正應(yīng)力），從而成功模擬天然ECM的牽引力信號(hào)，顯著促進(jìn)了神經(jīng)細(xì)胞定向排列與深度浸潤(rùn)（圖1）。
圖2.使用正交冰模板法構(gòu)建負(fù)應(yīng)力水凝膠
研究團(tuán)隊(duì)采用正交溫度梯度下的定向冷凍策略，使膠原蛋白在冰晶生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)生富集與重排，形成由層狀通道和層間橋接構(gòu)成的各向異性骨架（圖2）。與常規(guī)均質(zhì)水凝膠不同，F(xiàn)-gel在受壓時(shí)并非產(chǎn)生力學(xué)抵抗，而是表現(xiàn)出沿加載方向的反常收縮行為，即負(fù)應(yīng)力響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低固含量的F-gel負(fù)應(yīng)力最大值可達(dá)?27.77kPa，隨著固含量升高，可以轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)正應(yīng)力。這種力學(xué)行為的“開(kāi)關(guān)”轉(zhuǎn)換，源于材料內(nèi)部獨(dú)特的層間橋結(jié)構(gòu)以及水合狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)力學(xué)信號(hào)方向與幅值的可編程調(diào)節(jié)（圖3）。
圖3.負(fù)應(yīng)力水凝膠結(jié)構(gòu)與力學(xué)的可編程調(diào)節(jié)
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了負(fù)應(yīng)力的分子機(jī)制：在分層網(wǎng)絡(luò)中，水分子通過(guò)水合氫鍵在膠原鏈之間形成可調(diào)控的“水橋”交聯(lián)。在外力加載下，低固含量的F-gel缺少層間橋接的限制，自由水被快速排出，鏈段靠近誘發(fā)水橋與分子間氫鍵協(xié)同重組，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)發(fā)生體積塌縮并釋放出宏觀(guān)牽引力，該機(jī)制通過(guò)一系列氫鍵調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)和多尺度結(jié)構(gòu)表征得到驗(yàn)證（圖4）。研究還發(fā)現(xiàn)，該冷凍鑄造策略可擴(kuò)展至天然蛋白、天然多糖以及人工合成高分子等多種水凝膠體系，展現(xiàn)出良好的普適性。
圖4.水合介導(dǎo)的分子層坍縮負(fù)應(yīng)力機(jī)制
研究團(tuán)隊(duì)以人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞（SH-SY5Y）為模型進(jìn)行了概念驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明，負(fù)應(yīng)力能有效引導(dǎo)細(xì)胞定向排列，并促進(jìn)其向材料內(nèi)部深層浸潤(rùn)。F-gel中細(xì)胞的平均浸潤(rùn)深度達(dá)到336.30微米，是傳統(tǒng)均質(zhì)水凝膠的21.6倍，細(xì)胞增殖密度提升了76.7倍。機(jī)制研究表明，負(fù)應(yīng)力效應(yīng)依賴(lài)整合素介導(dǎo)的黏附與ROCK信號(hào)通路，并伴隨YAP/TAZ的核轉(zhuǎn)位，提示負(fù)應(yīng)力可有效激活細(xì)胞機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程。
圖5.負(fù)應(yīng)力誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞定向排列與深層浸潤(rùn)
研究提出了一種通過(guò)調(diào)控材料水合狀態(tài)與微結(jié)構(gòu)來(lái)編程負(fù)應(yīng)力行為的新范式，有助于加深對(duì)細(xì)胞—ECM力學(xué)相互作用機(jī)制的理解，并為三維細(xì)胞培養(yǎng)、神經(jīng)再生及組織工程支架的設(shè)計(jì)提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)。
研究成果以“水合介導(dǎo)的負(fù)應(yīng)力水凝膠用于三維細(xì)胞深層浸潤(rùn)”（Hydration-Mediated Negative Stress Hydrogel for 3D Cell Infiltration）為題，于12月16日發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院助理教授耿洪亞為論文通訊作者、深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)博士生侯涵譯為論文第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、廣東省科技廳及深圳市財(cái)政局等的支持。
論文鏈接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202524867
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
