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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)染色的結果發現,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:

  1. Nardone, G., Oliver-De La Cruz, J., Vrbsky, J., Martini, C., Pribyl, J., Skládal, P., Pešl, M., Caluori, G., Pagliari, S., Martino, F., Maceckova, Z., Hajduch, M., Sanz-Garcia, A., Pugno, N. M., Stokin, G. B., & Forte, G. (2017). YAP regulates cell mechanics by controlling focal adhesion assembly. Nature Communications, 8(1). https://doi.org/10.1038/ncomms15321
  2. McBeath, R., Pirone, D. M., Nelson, C. M., Bhadriraju, K., & Chen, C. S. (2004). Cell Shape, Cytoskeletal Tension, and RhoA Regulate Stem Cell Lineage Commitment. Developmental Cell, 6(4), 483–495. https://doi.org/10.1016/s1534-5807(04)00075-9
  3. Zhang, M., Sun, Q., Liu, Y., Chu, Z., Yu, L., Hou, Y., Kang, H., Wei, Q., Zhao, W., Spatz, J. P., Zhao, C., & Cavalcanti-Adam, E. A. (2021). Controllable ligand spacing stimulates cellular mechanotransduction and promotes stem cell osteogenic differentiation on soft hydrogels. Biomaterials, 268, 120543. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120543
  4. Swift, J., Ivanovska, I. L., Buxboim, A., Harada, T., Dingal, P. C. D. P., Pinter, J., Pajerowski, J. D., Spinler, K. R., Shin, J. W., Tewari, M., Rehfeldt, F., Speicher, D. W., & Discher, D. E. (2013). Nuclear Lamin-A Scales with Tissue Stiffness and Enhances Matrix-Directed Differentiation. Science, 341(6149). https://doi.org/10.1126/science.1240104

撰文|劉又萱
審稿|梁文

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You Hsuan Liu 劉又萱

You Hsuan Liu 劉又萱

劉又萱,新北人,成大生科雙主修醫工畢業,目前在中研院物理所研究細胞層次的微環境力學,希望在investigator能提升台灣學子在各個生醫領域學術理解的易讀性,同時讓自己練習面向大眾書寫的文字表達。

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