細胞行為經常會受到周圍細胞外基質（extracellular matrix, ECM）的物理特性所影響 [1]，因此在體外的實驗系統中，製作出可即時調控的細胞培養材料可用於了解細胞複製、分化、凋亡等命運調控機制。多倫多大學的研究團隊開發了一個可受電位調控表面系統，使用RGD肽（Arg-Gly-Asp peptides）單分子層作為表面材料，測試細胞在正負電通過時的貼附效果。這套系統具有高度靈活性，能夠模擬多種生物系統中的界面互動，並作爲研究細胞行為的工具。
RGD 肽是一種細胞外基質經常具備的蛋白質序列，可被細胞膜上的整合素（integrin）辨識而誘導細胞貼附[2]。為了製作一個可以受到電位控制的表面系統，作者們在一個3D列印印製的 PDMS (Polydimethylsiloxane) 裝置上放置一塊金電極，並使用11-巰基十一烷酸（11-mercaptoundecanoic acid, MUA）在這層「金」的表面形成一層自組裝單分子層（self-assembled monolayer, SAM），接著將部分 MUA 上的羧基（carboxylic group）修飾成了 RGD 肽的 MUA，另一部分則被修飾為帶負電的磺酸基（sulfonate）的MUA，並可以隨著電位而改變型態，如圖一。當在這個改質後表面施加負電位時，RGD 肽會被隱藏，表面疏水，讓細胞不容易附著；而施加正電位時，RGD 肽會暴露並且表面親水，這時細胞就更容易附著上來。
圖一、A：用於動態操控細胞行為的可逆電化學表面示意圖。B：RGD 肽 / 磺酸基修飾 MUA 單分子層的結構。C：循環伏安法測試 (a) 裸金表面、(b) 具有修飾前 MUA 單分子層的金表面、(c) 具有 RGD 肽 / 磺酸基修飾 MUA 單分子層的金表面、 (d) 僅具有RGD 肽修飾 MUA 的金表面。
為了調查細胞貼附在這種可受電位調控表面的行為，作者們首先使用老鼠胚胎纖維母細胞（mouse embryonic fibroblasts, MEFs）進行實驗，從圖二的結果可以看出實驗組與對照組的貼附細胞數量、細胞骨架控制的細胞型態皆有所不同。施以正電導致 RGD 肽暴露的組別比起施以負電的細胞更呈現伸長型，而貼附的細胞數則為五倍以上，貼附細胞的平均面積為負電組的兩倍。如果改成使用乳癌細胞株 MCF-7 和前列腺癌細胞株 PC-3M 操作也有類似的結果。
圖二、調整細胞貼附行為。A：在不同電壓下的代表性螢光顯微鏡影像，顯示有更多的 MEF 細胞會附著在 RGD 暴露（正電組）的表面上，且附著的細胞顯示出更好的延展性。B：附著細胞的存活率。C：在 1 平方毫米附著的細胞數量。D：平均的細胞大小。
接下來，作者想探討細胞能否感知環境中的力學變化，進而導致不同的分化結果，因此他們使用人類間葉幹細胞（human mesenchymal stem cells, HMSCs）進行實驗。結果發現力學調控的轉錄輔助活化因子（transcriptional coactivator with PDZ-binding motifs, TAZ）可在施加正電時進入細胞核內，此外，從流式細胞儀及即時聚合酶連鎖反應（RT-qPCR） 的結果皆顯示，在 RGD 肽暴露的表面培養 HMSCs 傾向讓細胞分化成骨頭（osteogenesis），反之，幹性（stemness）與形成脂肪的相關指標在細胞內會下降（圖三）。
圖三、施加電位誘導的幹細胞分化。A：電位的變化進一步影響了 Hippo 信號通路轉導因子 TAZ 的表達。B：通過 RT-qPCR 分析 RGD 暴露表面促進的成骨分化。Ｃ：通過流式細胞儀分析 RGD 暴露表面誘導的成骨分化。
除了細胞貼附之外，研究團隊認為這個電位響應的表面也可以用來控制細胞脫離，未來可應用在體外組合多細胞類器官上。作者們將高密度的 MEFs 種在表面，讓它們過夜形成細胞連接。接著，在施加負電位4小時後，觀察到 MEFs 會以細胞片（cell sheets）的形式脫離表面，只有5%的細胞留在表面，而且脫離的細胞存活率仍然很高。不論使用三角形、正方形或圓形限縮細胞生長區域，以電位使細胞脫離以後的細胞片都能維持原先的形狀，並保有完整的細胞連接性（圖四）。
圖四、可控制的細胞脫離。A：RGD/磺酸基表面上細胞單層進行釋放過程，右圖為已脫離的細胞片。B：在 1 平方毫米附著的細胞數量。C：隨時間的變化脫離細胞的百分比。D：在脫離前後不同受限制的幾何形狀細胞片。
總結而言，現今的技術發展出許多化學表面修飾的方法，使得在體外的細胞行為研究能做到精細的控制。這次介紹的是採用改變電位，動態調節 RGD 肽的暴露，從而控制細胞的黏附和脫離。我們也能期待未來有更多研究使用這種即時的表面控制方法，或延伸出更複雜的刺激訊號和空間限制來進行細胞行為研究。
原始文章：
Zhang, L., Wang, Z., Das, J., Labib, M., Ahmed, S., Sargent, E. H., & Kelley, S. O. (2019). Potential‐Responsive surfaces for manipulation of cell adhesion, release, and differentiation. Angewandte Chemie, 58(41), 14519–14523. https://doi.org/10.1002/anie.201907817
參考文獻：
- Reznikov, N., Steele, J., Fratzl, P. et al. (2016). A materials science vision of extracellular matrix mineralization. Nat Rev Mater, 1, 16041. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.41
- Hersel, U., Dahmen, C. and Kessler, H. (2003). RGD Modified Polymers: Biomaterials for Stimulated Cell Adhesion and Beyond. Biomaterials, 24, 4385-4415. http://doi.org/10.1016/S0142-9612(03)00343-0
關鍵字：電化學、細胞感測、幹細胞
撰文｜劉又萱
審稿｜楊淯元
