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研究简介
2023年，加州大学默塞德分校Kinjal Dasbiswas（通讯作者）在《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表了题为“Optimal mechanical interactions direct multicellular network formation on elastic substrates”的研究文章。本研究探讨了细胞如何在弹性基质上通过机械相互作用自我组织形成多细胞网络，这对于发展生物学和组织工程具有重要意义。
图文赏析
通过结合基于代理的模型和内皮细胞培养实验，展示了细胞如何在弹性基质上通过基质变形介导的机械相互作用聚集和排列成分支网络。研究结果表明，细胞网络的形成依赖于基质的刚度，且在中等刚度下最为理想。实验观察到，当基质刚度适中时，细胞能够通过基质介导的长程机械相互作用找到彼此并形成网络，这些相互作用比细胞运动中的噪声要大得多。而在非常软或非常硬的基质上，由于弹性相互作用可能被噪声所淹没，导致缺乏有序结构。
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研究进一步预测并实验验证了细胞网络结构特征（如渗透概率和分形维数）以及局部形态特征（包括连接点、分支和环）如何依赖于细胞的收缩性和密度，以及基质的弹性属性（包括刚度和可压缩性）。实验中，通过在不同刚度的聚丙烯酰胺水凝胶基质上培养人脐静脉内皮细胞（HUVECs），并观察细胞在不同基质刚度下的行为，证实了模型的预测。实验结果显示，细胞在中等刚度的基质上形成了渗透网络，而在太软或太硬的基质上则没有形成。
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此外，研究还探讨了细胞如何在不同细胞密度和基质刚度下形成不同的细胞簇类型，并通过构建相图来展示这些类型。实验数据与模型预测相吻合，证实了细胞网络的形成是由基质介导的弹性相互作用驱动的，并且这些相互作用在基质刚度值围绕一个最佳值时最为强烈。
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研究还分析了实验细胞培养中细胞簇的形态特征，包括孤立细胞、长链和渗透网络，并计算了每个独特细胞簇的“形状参数”，以量化细胞簇的长径比。通过比较模拟和实验数据，研究揭示了细胞如何在不同基质刚度下表现出不同的形态特征，从而优化网络的形成。
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最后，研究讨论了细胞如何在不同的基质压缩模量下形成具有不同优势的网络结构。例如，在低Poisson比率（不可压缩）的基质上，细胞倾向于形成更长的分支，这有助于空间填充和网络渗透，但可能在受到损伤时较为脆弱。而在高Poisson比率（可压缩）的基质上，细胞形成的网络包含许多小环，这为网络提供了鲁棒性，但可能以运输效率为代价。这些发现为理解细胞如何在不同机械环境中自我组织提供了新的见解，并可能对组织工程和生物材料设计产生重要影响。
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综上所述，本研究不仅揭示了细胞如何在弹性基质上通过机械相互作用形成多细胞网络，而且还提供了对细胞如何响应基质刚度变化的深入理解。这些发现对于指导组织工程应用中体外血管网络的形成具有重要意义，并可能对理解生物体内部的组织形成和功能提供新的视角。
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原文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2301555120
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