外部微环境的机械线索如何作为驱动细胞行为的关键因素，尤其是在感觉上皮发育过程中的作用还不清楚。尽管细胞内信号在感觉上皮发育中的调节作用已经被广泛理解，但感觉上皮形成的主要驱动力仍然不清楚。这个研究制造了一种具有可调机械特性的混合水凝胶，用于培养耳蜗类器官，并揭示了细胞外基质（ECM）通过阶段性的刚度变化驱动感觉上皮形成的过程。
研究简介
本研究的主要发现是，适度的ECM刚度通过调节整合素α3（ITGA3）/F-肌动蛋白细胞骨架/YAP信号通路激活耳蜗前体细胞（CPC）衍生的上皮类器官的扩张，而更高的刚度则通过增加由PIEZO2介导的细胞内Ca2+信号，进而激活KLF2来完成细胞的特异性。这些结果不仅揭示了ECM机械力引导感觉上皮形成背后的分子机制，而且为毛细胞（HC）再生的治疗途径提供了新的贡献。
首先构建了一个可调节刚度的明胶甲基丙烯酰（GelMA）-透明质酸（HA）-Arg-Gly-Asp（RGD）水凝胶系统，用于培养耳蜗类器官。通过精确调节水凝胶的刚度，类器官中的细胞显示出阶段性的扩张和特化成感觉毛细胞。此外，研究还发现两种独立的机械转导机制，它们能够响应ECM的不同刚度，促进CPC的扩张和感觉毛细胞的生成。
在物理化学特性的表征中，通过核磁共振（NMR）光谱和2,4,6-三硝基苯磺酸（TNBS）测定确认了明胶分子上甲酰基团的结合。通过调整GelMA浓度，能够控制水凝胶的刚度，这对于CPC的生长至关重要。实验结果表明，1%（w/v）HA和0.2%（w/v）RGD修饰的GelMA水凝胶展现出最强的细胞活性。此外，通过Young’s模量测定，GelMA浓度与储能模量呈正相关，表明增加GelMA浓度可以增强水凝胶的刚度。
在探讨混合水凝胶刚度对CPC衍生类器官形成的影响时，发现，通过调整GelMA浓度，可以在不同刚度（0.2至8.5 kPa）的水凝胶中培养类器官。实验结果表明，当水凝胶刚度从0.2增加到1.5 kPa时，类器官的大小逐渐增加，而在更高的刚度下，类器官的大小减小。此外，KI67和EdU染色证实了CPCs在不同刚度下的增殖能力动态趋势，1.5 kPa凝胶中的增殖率与Matrigel对照组相当。
在研究的后期，将1.5 kPa GelMA-HA-RGD水凝胶中扩增的类器官转移到不同刚度的水凝胶中，以促进类器官细胞的特化。经过15天的培养，5 kPa水凝胶中的类器官表达毛细胞标记基因（Myo6, Myo7a, Slc17a8, 和 Pvalb）的水平最高。实时PCR分析显示，与1.5 kPa水凝胶相比，5 kPa水凝胶中的类器官中与毛细胞相关的基因表达上调，而与干细胞特性相关的转录因子（如Klf2）也表现出上调。
研究还探讨了PIEZO2在ECM机械力感知中的作用。通过RNA干扰技术敲除Piezo2，发现Piezo2的缺失抵消了由增加刚度诱导的MYO7A+毛细胞生成的效果。这些结果表明，PIEZO2可能作为机械信号的关键感受器，在毛细胞生成过程中发挥作用。
GelMA-HA-RGD水凝胶系统具有优异的生物相容性，并且其刚度可以精细调节，以促进耳蜗类器官的形成。这种水凝胶系统使我们能够研究机械力如何调节感觉上皮的形成。此外，与Matrigel相比，这种混合水凝胶能够更精确地模拟ECM的动态机械力，以决定细胞命运，并且在培养耳蜗类器官方面显示出更高的毛细胞分化效率。
还强调了F-肌动蛋白作为细胞扩张中细胞内信号转导的桥梁，以及YAP依赖的机械转导信号在介导来自基质的广泛机械应力中的作用。此外，PIEZO2可能作为机械信号的关键感受器，而KLF2是ECM刚度的效应器，促进CPC分化为毛细胞。这些发现为再生医学提供了潜在的靶点，通过调节系统机械特性来更好地操纵干细胞/前体细胞的命运。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf2664
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