基于大分子致動器的 3D 水凝膠平臺對癌細胞遷移的精準機械力調(diào)控

來源：EFL生物3D打印與生物制造

機械力在調(diào)控癌細胞行為（尤其是轉(zhuǎn)移過程）中起著關(guān)鍵作用，細胞外基質(zhì)的物理信號影響著細胞的機械信號傳導(dǎo)通路和細胞骨架結(jié)構(gòu)，進而決定癌細胞的遷移行為及其侵襲、擴散能力。然而，傳統(tǒng)的機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械刺激，難以在微觀層面實現(xiàn)精確的機械加載，也無法在力施加過程中針對納米級的特定受體蛋白，這使得全面研究細胞機械轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機制面臨巨大挑戰(zhàn)。  

來自上?？萍即髮W的鄭宜君研究員團隊開發(fā)了一種嵌入近紅外響應(yīng)大分子致動器的三維水凝膠平臺，該平臺能夠?qū)Π┘毎械奶囟ㄕ纤貋喰瓦M行精確的機械刺激。通過該系統(tǒng)，團隊研究了不同力參數(shù)（大小、頻率和持續(xù)時間）對卵巢癌細胞球遷移和侵襲的影響，為研究癌細胞機械轉(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水凝膠平臺的設(shè)計與作用機制示意圖，通過構(gòu)建示意圖的方法，研究了嵌入近紅外響應(yīng)大分子致動器CD-PNIPAM-Ligand的3D DexMA水凝膠平臺的設(shè)計及其對癌細胞遷移的調(diào)控機制。結(jié)果表明，該平臺利用近紅外光照射使CD基團將光轉(zhuǎn)化為熱，促使溫敏性PNIPAM鏈收縮并直接對細胞受體施加拉力，可通過不同配體（RGD和RTD）靶向整合素αvβ3和αvβ6，實現(xiàn)對癌細胞遷移的調(diào)控。

圖1. 3D水凝膠平臺的設(shè)計和操作機制示意圖。  

2. 大分子致動器功能化DexMA水凝膠的制備、力學及光熱性能圖，通過實驗制備與表征分析的方法，研究了致動器功能化DexMA水凝膠的制備過程、力學性能和光熱效應(yīng)。結(jié)果顯示，該水凝膠在近生理條件下15分鐘內(nèi)剪切儲能模量達1.2 kPa，其力學性能可通過調(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. 大分子致動器功能化DexMA水凝膠的制備、力學和光熱性能圖。  

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

圖3. 機械刺激對DexMA 3D水凝膠中細胞遷移的影響圖。  

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

圖4. 不同條件下力誘導(dǎo)的細胞遷移圖。  

5. 高強度力作用下不同細胞遷移模式的示意圖，通過實驗觀察與定量分析的方法，研究了CD-PNIPAM-RGD和CD-PNIPAM-RTD在高強度力作用下誘導(dǎo)的細胞遷移模式。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，且細胞遷移速度低于前者。

圖5. 高強度力作用下不同細胞遷移模式的示意圖。  

6. 整合素-配體相互作用及力誘導(dǎo)解離動力學的計算分析圖，通過分子對接和分子動力學模擬的方法，研究了RGD與αvβ3、RTD與αvβ6的相互作用及力誘導(dǎo)解離動力學。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），驗證了實驗中不同配體誘導(dǎo)細胞遷移模式差異的分子機制。

圖6. 整合素-配體相互作用及力誘導(dǎo)解離動力學的計算分析圖。

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了嵌入近紅外響應(yīng)大分子致動器的3D水凝膠平臺，實現(xiàn)了對癌細胞特定整合素亞型的精準機械刺激。研究發(fā)現(xiàn)，機械刺激在早期可增強集體侵襲，后期高頻、大振幅力作用下會破壞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。分子模擬證實了整合素亞型特異性響應(yīng)的力學機制。該平臺為研究細胞機械轉(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