在组织工程和再生医学中，调控细胞行为对于细胞粘附、增殖和分化至关重要。研究者们通过模仿细胞外基质（ECM）的物理和生化特性来设计细胞培养基质和支架，以期调控干细胞的行为。特别是，不同形状和尺寸的纳米拓扑结构被用来控制干细胞的粘附、增殖和分化。然而，物理拓扑结构和粘附蛋白（如纤维连接蛋白FN）的展示对细胞行为的影响往往相互交织，这限制了对纳米拓扑结构调控细胞行为的深入理解。
研究简介
纳米拓扑结构的设计和制备：
研究者们选择了纳米栅格（nongratings）和矩形纳米柱（nanopillars）作为研究对象，因为这些结构在调控细胞行为方面显示出显著效果。他们制备了具有相似高度的纳米拓扑结构，以确保hMSCs能够跨越纳米结构而不与结构底部相互作用。这些纳米拓扑结构被制备在聚苯乙烯（PS）基底上，这种材料不会被细胞变形，从而排除了结构变形和刚度对细胞的潜在影响。
物理和生化信号对细胞粘附和铺展的影响：
研究发现，与均匀涂覆的FN的平面基底相比，物理纳米拓扑结构和FN纳米图案显著减少了hMSCs的细胞和核面积，表明物理纳米拓扑结构和生化模式都能影响细胞铺展。在FN纳米线图案的基底上，hMSCs倾向于沿着纳米栅格方向排列，细胞和核面积更小，但细胞和核的长宽比更高。这表明物理纳米拓扑结构主导了细胞铺展面积和核大小，而物理和生化信号在调节hMSCs和核形状方面发挥作用。
物理信号对hMSCs增殖和分化的主导作用：
研究比较了不同基底上hMSCs的增殖和分化，发现纳米栅格上的细胞增殖率显著低于平面基底和纳米柱上的细胞。此外，纳米栅格倾向于促进hMSCs的脂肪分化，而抑制成骨分化。这些结果表明，物理拓扑结构，特别是纳米栅格，对hMSCs的表型和功能有更显著的影响。
YAP核质穿梭的调节：
YAP作为一种机械响应因子，其激活可以由基底的纳米拓扑结构和生化信号介导。研究发现，在平面基底和纳米柱上，YAP主要位于细胞核中，而在纳米栅格上，YAP倾向于保留在细胞质中。这表明物理纳米拓扑结构对YAP核质穿梭有更显著的影响。
物理拓扑结构通过诱导核纳米级变化调节hMSCs的谱系承诺：
研究表明，物理纳米拓扑结构可以诱导核的纳米级结构变形。与平面基底上的细胞相比，纳米栅格上的细胞核在纳米级上发生了变形，这通过Lamin A/C（LAMAC）荧光信号的纳米级积累得到证实。这种核膜向纳米栅格沟槽弯曲的现象表明，物理拓扑结构通过细胞膜与核膜之间的机械耦合调节细胞行为。
研究局限性：
本研究选择的纳米拓扑结构尺寸可能影响hMSCs的行为，但研究结果可能仅适用于FN，对于其他粘附蛋白的反应需要进一步研究。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08075
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