传统上，具有骨质（约30-40 kPa）或更高刚度的水凝胶被认为能够诱导间充质干细胞（MSCs）的成骨分化，而在非常软的水凝胶上实现相同的分化较为困难，因为低环境机械刺激和受限的细胞力学转导。研究通过调控细胞对整合素-粘附配体的空间感知，通过准六角排列的纳米图案促进低刚度（约3 kPa）水凝胶上的细胞力学感知，从而激活力学转导并促进MSCs在软水凝胶上的成骨分化，达到与骨质刚度相当的水平。
研究简介
配体间距和基质刚度对细胞行为的影响：
研究结果表明，配体间距和基质刚度是调节细胞行为的关键因素。在软水凝胶上，较大的配体间距促进了细胞的粘附和扩散，而在硬水凝胶上，较小的配体间距促进了细胞的扩散。这种差异可能是由于在软基质上，较大的配体间距导致每个整合素-配体键（分子离合器）上的力增加，从而促进了额外整合素的招募和粘附生长。而在硬基质上，较大的配体间距限制了力的生成，导致粘附崩溃。
肌动蛋白收缩力在细胞力学感知中的作用：
肌动蛋白收缩力是细胞力学转导的关键调节器，与细胞骨架组装和细胞粘附直接相关。研究发现，肌动蛋白的磷酸化在软水凝胶上的大型配体间距上得到促进，而在硬水凝胶上则在小型配体间距上得到促进。使用肌动蛋白抑制剂blebbistatin处理细胞后，由于抑制了肌动蛋白II，细胞在所有条件下的扩散面积都相同，表明肌动蛋白II基于的细胞张力介导了细胞在配体纳米图案化水凝胶上的力学感知。
细胞核力学和核染色质组织的影响：
细胞骨架通过核膜上的链接核和细胞骨架（LINC）复合物将力传递到细胞核，引起核变形和DNA或染色质结构的重排，以及转录活性的变化。研究发现，细胞核力学和核骨架蛋白lamin A/C的表达和组织反映了核的刚度和张力。在软水凝胶上，小配体间距的细胞显示出更高程度的染色质凝聚和低核力学，而在硬水凝胶上，随着配体间距的增加，核力学响应配体纳米图案的变化。
细胞转录活性和离子通道激活：
转录调节因子YAP/TAZ可以调节多个力学敏感基因的表达，其亚细胞分布响应细胞骨架张力和细胞核力学。研究发现，YAP在软水凝胶上的大型配体间距上主要分布在细胞核中，而在硬水凝胶上，随着配体间距的增加，YAP从细胞核中失活。此外，MSCs的分化也通过细胞外钙离子的摄取来介导，研究发现，TRPV4的激活与细胞扩散和张力生成相匹配，更多的TRPV4在软水凝胶上的大型配体间距上被激活。
配体间距促进软水凝胶上的细胞成骨分化：
成骨分化的干细胞可以通过力学转导和离子通道激活来调节。研究发现，在软水凝胶上的大型配体间距上，ALP阳性细胞的水平较高，这表明通过控制配体间距，可以在通常抑制细胞成骨分化的3 kPa软水凝胶上促进MSCs的成骨分化。
研究的创新性和意义：
创新之处在于开发了具有准六角排列配体纳米阵列的功能性软水凝胶，以刺激细胞力学转导并促进干细胞成骨分化。可控的配体间距启动了力学转导途径：粘着斑形成-肌动蛋白组装-核骨架组装-转录调节因子激活，以及离子通道的表达。这些因素协同作用，推动了干细胞在3 kPa软水凝胶上的成骨分化，这通常被认为会抑制细胞成骨分化。这一不寻常的现象可以通过优化单个分子离合器上的力加载来激活粘着斑形成来解释。为调节干细胞命运决定提供了新的方法，并扩展了再生应用中生物材料的选择。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120543
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