以長度可調的多肽水凝膠，解構影響間葉幹細胞分化的力學感測機制

人體的細胞會藉由點狀粘著（Focal adhesion），貼附在相鄰的細胞或周圍的細胞外基質上；當細胞感知到環境中的機械應力後，會向內調控肌動蛋白細胞骨架的排列 [1]。先前的研究表明，間葉幹細胞在硬度較高的水凝膠裡培養，會傾向朝骨細胞分化；而在軟的水凝膠中則會朝脂肪細胞分化 [2]。因此，細胞力學研究者經常藉此種特性，來探討環境的機械應力如何傳導進細胞中、進而調控細胞的分化程序。

近日，以四川大學高分子科學與工程學院魏強特聘研究員、趙偉鋒教授領導，與德國馬克斯普朗克細胞生物物理所、香港大學、高麗大學合作的團隊，在 Biomaterials 期刊發表了題為: Controllable ligand spacing stimulates cellular mechanotransduction and promotes stem cell osteogenic differentiation on soft hydrogels 的論文 [3]。這項研究首次展示了帶有整合素-黏附配體（integrin-adhesive ligands）的水凝膠生物材料，可以有效調節肌動蛋白介導的力學傳遞機制，使細胞在軟基質環境下仍能招募更多的整合素（integrin）到細胞和基質交界處累積，促使間葉幹細胞在軟性水凝膠之中也能朝向骨細胞分化，為再生療法的細胞支架設計提供了新的想法。

圖片說明: 圖一、軟水凝膠（左側，3 kPa）與硬水凝膠（右側，30 kPa）在不同多肽鍊長度下的細胞型態。圖A:纖維狀肌動蛋白（綠色）及細胞核（藍色）；圖B:點狀粘著結合蛋白 Paxillin 的位置（黃色）。圖片來源: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120543

為了瞭解材料軟硬度、力學傳導和人造的多肽配體分別在細胞分化過程中扮演的角色，研究人員在不同軟硬度的水凝膠裡，包埋了奈米螢光粒子用來量化細胞對基質的拉扯的牽引力（Traction force）並藉由微圖案製程接合上 cRGD 多肽配體（cyclic-RGDfK peptide）來模擬細胞持續被細胞外基質活化的狀態，多肽鍊的長度設計成 30, 70, 150 和 230 奈米組別，可以讓研究人員精準地控制它在水凝膠裡的分布，且該配體已被證實對細胞內的整合素有相當高的親和力。

接下來，想更好的理解力學傳導在細胞中如何受環境調控，研究人員測試了細胞骨架多寡與多肽長度的關聯性。在軟性水凝膠中，肌凝蛋白的表達量會因多肽鍊間隔較小而被限制，細胞也只能產生較小的牽引力（20~200 Pa）；而在較硬的水凝膠中，牽引力明顯大於軟性環境（300~700 Pa），但是多肽鍊長度隨力學大小的變化趨勢卻恰好相反，這表示了細胞在水凝膠的粘著具有力學依賴性（force-dependent）。

圖片說明: 圖二、單一細胞在不同 cRGD 配體長度下的各式參數。圖 A: 細胞攤開的面積圖 B: 細胞與基質間的牽引力（Traction force）大小圖 C: 核膜蛋白（Lamin A/C）的強度圖 D: 轉錄因子 Yap 在細胞核內的比例圖 E: 鈣離子通道（TRPV4）活化的多寡
圖片來源: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120543

在環境張力傳導進細胞內調控基因表達的過程中，細胞核被壓縮會改變染色質構型 [4]，以核膜蛋白（Lamin A/C染色的果發現，隨著多肽鍊間隔增大，軟性水凝膠中的細胞核皺褶會被逐步壓平；在較硬的水凝膠中，核膜則反而會隨多肽鍊間隔增大而螢光強度降低。接下來，研究人員進一步佐證了在 Yap 轉錄因子這種眾所皆知會參與 Hippo 訊號通路、促進細胞增殖的機械傳感器，以及 TRPV4 鈣離子通道數目等生化實驗，結果都與預期保持一致，也顯示了力學依賴性。

最後，利用間葉幹細胞分化實驗，研究人員觀察以 ALP 染色（Alkaline Phosphatase Stain）標示出的骨細胞數目，發現在這種帶有多肽配體的水凝膠材料中，確實可利用配體間隔的大小，有效調控細胞分化的比例，基於上述結果，本篇研究提供了以設計生物材料和細胞機械力傳導路徑，調控細胞分化命運的新工具。

圖片說明: 圖三、加入脂肪細胞/骨細胞 1:1 的混合誘導培養液後，間葉幹細胞分化成骨細胞佔總細胞數的比例。圖 A: ALP染色的骨細胞型態代表圖；圖 B: 誘導 7 天後，量化骨細胞的數目多寡。
圖片來源: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120543

參考文獻：

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