基于大分子致動(dòng)器的 3D 水凝膠平臺(tái)對(duì)癌細(xì)胞遷移的精準(zhǔn)機(jī)械力調(diào)控

來源：EFL生物3D打印與生物制造

機(jī)械力在調(diào)控癌細(xì)胞行為（尤其是轉(zhuǎn)移過程）中起著關(guān)鍵作用，細(xì)胞外基質(zhì)的物理信號(hào)影響著細(xì)胞的機(jī)械信號(hào)傳導(dǎo)通路和細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而決定癌細(xì)胞的遷移行為及其侵襲、擴(kuò)散能力。然而，傳統(tǒng)的機(jī)械力施加方法存在明顯局限性，它們往往只能提供非特異性的機(jī)械刺激，難以在微觀層面實(shí)現(xiàn)精確的機(jī)械加載，也無法在力施加過程中針對(duì)納米級(jí)的特定受體蛋白，這使得全面研究細(xì)胞機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機(jī)制面臨巨大挑戰(zhàn)。  

來自上?？萍即髮W(xué)的鄭宜君研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種嵌入近紅外響應(yīng)大分子致動(dòng)器的三維水凝膠平臺(tái)，該平臺(tái)能夠?qū)Π┘?xì)胞中的特定整合素亞型進(jìn)行精確的機(jī)械刺激。通過該系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)研究了不同力參數(shù)（大小、頻率和持續(xù)時(shí)間）對(duì)卵巢癌細(xì)胞球遷移和侵襲的影響，為研究癌細(xì)胞機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)提供了有力工具，并為開發(fā)靶向癌癥治療方法提供了潛在見解，相關(guān)工作以《3D hydrogel platform with macromolecular actuators for precisely controlled mechanical forces on cancer cell migration》為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

研究內(nèi)容
1. 3D水凝膠平臺(tái)的設(shè)計(jì)與作用機(jī)制示意圖，通過構(gòu)建示意圖的方法，研究了嵌入近紅外響應(yīng)大分子致動(dòng)器CD-PNIPAM-Ligand的3D DexMA水凝膠平臺(tái)的設(shè)計(jì)及其對(duì)癌細(xì)胞遷移的調(diào)控機(jī)制。結(jié)果表明，該平臺(tái)利用近紅外光照射使CD基團(tuán)將光轉(zhuǎn)化為熱，促使溫敏性PNIPAM鏈?zhǔn)湛s并直接對(duì)細(xì)胞受體施加拉力，可通過不同配體（RGD和RTD）靶向整合素αvβ3和αvβ6，實(shí)現(xiàn)對(duì)癌細(xì)胞遷移的調(diào)控。

圖1. 3D水凝膠平臺(tái)的設(shè)計(jì)和操作機(jī)制示意圖。  

2. 大分子致動(dòng)器功能化DexMA水凝膠的制備、力學(xué)及光熱性能圖，通過實(shí)驗(yàn)制備與表征分析的方法，研究了致動(dòng)器功能化DexMA水凝膠的制備過程、力學(xué)性能和光熱效應(yīng)。結(jié)果顯示，該水凝膠在近生理?xiàng)l件下15分鐘內(nèi)剪切儲(chǔ)能模量達(dá)1.2 kPa，其力學(xué)性能可通過調(diào)整交聯(lián)劑濃度在200-3000 Pa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且CD基團(tuán)賦予水凝膠良好的光熱效應(yīng)，近紅外光照射可使其溫度快速變化，觸發(fā)PNIPAM構(gòu)象轉(zhuǎn)變。

圖2. 大分子致動(dòng)器功能化DexMA水凝膠的制備、力學(xué)和光熱性能圖。  

3. 機(jī)械刺激對(duì)DexMA 3D水凝膠中細(xì)胞遷移的影響圖，通過實(shí)驗(yàn)觀察與數(shù)據(jù)分析的方法，研究了機(jī)械刺激對(duì)卵巢癌Hey細(xì)胞遷移的影響。結(jié)果表明，光熱誘導(dǎo)的大分子致動(dòng)器收縮產(chǎn)生的拉力可顯著促進(jìn)Hey細(xì)胞的間充質(zhì)集體遷移，增加細(xì)胞遷移距離，且較高的驅(qū)動(dòng)頻率和激光功率密度會(huì)增強(qiáng)機(jī)械刺激效率，促進(jìn)細(xì)胞遷移。

圖3. 機(jī)械刺激對(duì)DexMA 3D水凝膠中細(xì)胞遷移的影響圖。  

4. 不同條件下力誘導(dǎo)的細(xì)胞遷移圖，通過設(shè)置不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)比分析的方法，研究了脈沖頻率、近紅外功率密度和致動(dòng)器分子重量對(duì)細(xì)胞遷移的影響。結(jié)果顯示，增加光照頻率、功率密度或CD-PNIPAM-RGD致動(dòng)器的分子量可顯著增強(qiáng)細(xì)胞遷移，但超過一定閾值后，分子量增加不再有額外改善，且致動(dòng)器輪廓長度影響對(duì)特定細(xì)胞受體的作用力大小。

圖4. 不同條件下力誘導(dǎo)的細(xì)胞遷移圖。  

5. 高強(qiáng)度力作用下不同細(xì)胞遷移模式的示意圖，通過實(shí)驗(yàn)觀察與定量分析的方法，研究了CD-PNIPAM-RGD和CD-PNIPAM-RTD在高強(qiáng)度力作用下誘導(dǎo)的細(xì)胞遷移模式。結(jié)果表明，CD-PNIPAM-RGD在高頻、大振幅力作用下可誘導(dǎo)明顯的間充質(zhì)-阿米巴樣轉(zhuǎn)變（MAT），而CD-PNIPAM-RTD在相同條件下幾乎不誘導(dǎo)MAT，且細(xì)胞遷移速度低于前者。

圖5. 高強(qiáng)度力作用下不同細(xì)胞遷移模式的示意圖。  

6. 整合素-配體相互作用及力誘導(dǎo)解離動(dòng)力學(xué)的計(jì)算分析圖，通過分子對(duì)接和分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，研究了RGD與αvβ3、RTD與αvβ6的相互作用及力誘導(dǎo)解離動(dòng)力學(xué)。結(jié)果顯示，RTD與αvβ6的結(jié)合親和力高于RGD與αvβ3，且RTD從αvβ6解離所需的斷裂力（647 pN）顯著大于RGD從αvβ3解離所需的力（400 pN），驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)中不同配體誘導(dǎo)細(xì)胞遷移模式差異的分子機(jī)制。

圖6. 整合素-配體相互作用及力誘導(dǎo)解離動(dòng)力學(xué)的計(jì)算分析圖。

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了嵌入近紅外響應(yīng)大分子致動(dòng)器的3D水凝膠平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)癌細(xì)胞特定整合素亞型的精準(zhǔn)機(jī)械刺激。研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械刺激在早期可增強(qiáng)集體侵襲，后期高頻、大振幅力作用下會(huì)破壞αvβ3-配體相互作用，觸發(fā)間充質(zhì)-阿米巴樣轉(zhuǎn)變，而αvβ6因高親和力結(jié)合未出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)變。分子模擬證實(shí)了整合素亞型特異性響應(yīng)的力學(xué)機(jī)制。該平臺(tái)為研究細(xì)胞機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)提供了有力工具，有望為靶向癌癥治療策略開發(fā)提供新思路。

文章來源：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-60062-3