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川大魏强《先进材料》自增强的粘附力螺吡喃水凝胶，促进细胞机械转导

来源：花匠小妙招时间：2025-07-28 22:45

【科研成果】

细胞外基质（ECM）在组织再生和疾病进展过程中经历动态重塑和进行性硬化。但是，大多数人工ECM和体外疾病模型在机械上都是静态的。11月，四川大学魏强研究员团队开发了一种模仿自然ECM动态特性的自增强聚合物涂层用于研究细胞对动态生物物理线索的反应并促进细胞机械敏感性反应。螺吡喃（SP）被用作动态锚定基团以调节细胞粘附肽配体的强度。得益于自发性的花菁向螺吡喃的热异构化（MC-SP），所得的自响应涂层显示出界面相互作用的动态自增强。与静态和所有先前的动态人工ECM相比，此自响应表面上的细胞重塑了弱结合的基于MC的涂层，从而在黏附早期激活了α5β1整联蛋白和Rac信号传导。随后的MC到SP的转化增强了配体与整合素的相互作用，从而在后期进一步激活了αvβ3整合素和RhoA / ROCK信号传导。此顺序过程增强了细胞机械转导以及间充质干细胞（MSC）的成骨分化。值得强调的是，自增强在没有任何刺激的情况下会自发发生，这使其特别适用于再生医学中植入的支架。相关论文Self‐Strengthening Adhesive Force Promotes Cell Mechanotransduction发表在《Advanced Materials》上。

【图文解析】

作者开发了一种自反应性单层聚合物涂层，该涂层在没有任何额外刺激来促进细胞机械转导的情况下，表现出界面相互作用的可编程自增强作用。该涂层的动态特性是通过自发的热花菁-螺吡喃（MC-SP）异构化而实现的，而花菁（MC）和/或螺吡喃（SP）被用作通过疏水相互作用将其拴系到细胞粘附配体上的锚定基团（示意图1）。螺吡喃是一种众所周知的光致变色分子，可以在紫外线（UV）照射下从更疏水的SP形式迅速异构化为更亲水的MC形式，并在可见光下甚至在黑暗中缓慢还原。它已被用于可逆地调节所得的表面张力或表面润湿性。

示意图1 根据自发的花色素苷-螺吡喃（MC-SP）的自发异构化作用，强制自增强表面。a）在更疏水的SP状态和更亲水的MC状态之间的可逆转换。b）螺旋吡喃和RGD-肽官能化聚合物（PG-SP）的合成，用于表面涂层。螺吡喃充当响应性锚定基团，而RGD肽充当聚合物涂层末端的细胞粘附配体。锚固嵌段中的疏水螺吡喃基团可以通过疏水相互作用物理吸附到疏水基质上，从而形成致密的PG-SP单层涂层。c）自增韧聚合物涂层的方案。MC-SP涂层的自增硬性能是通过逐渐增强自发性部花菁-螺吡喃（MC-SP）异构化产生的界面粘合力来实现的。

1.螺吡喃(SP)锚的自发异构化可增强界面相互作用

通过在疏水性底物上组装的亲水聚甘油（PG）刷下方，其螺SP分子的花菁（MC）形式的锚固SP分子自发热异构化，实现了界面相互作用的自增强。烷基化玻璃作为模型表面）。亲水性PG嵌段具有高度的生物惰性，可防止蛋白质和细胞的非特异性吸附。模仿纤连蛋白整合素结合位点的整合素结合基序RGD（cycloRGDfK）PG刷使细胞能够直接检测聚合物涂层的物理性质（示意图1）。

在嵌段选择性溶剂（例如H2O）中，PG嵌段的良溶剂，而SP基团的嵌段溶剂不良，疏水性SP锚定基团迅速吸附到疏水性底物上（图1a），从而形成顶部带有致密的聚合物刷单层涂层，带有细胞粘合剂配体。原位UV辐射将SP形式异构化为更亲水的MC形式，从而生成在疏水性基材上具有较弱锚固力的PG-MC涂层。在异构化和随后用PBS缓冲液冲洗的过程中，未检测到明显的聚合物分离现象（图1a）。此外，通过紫外线照射后用水接触角测量检测到的聚合物涂层的润湿性没有变化，并用磷酸盐缓冲盐水（PBS）冲洗（图1b）。SP和MC两种形式的聚合物刷均具有相同的表面粗糙度和形态（图1c），在MC–SP异构化过程中甚至没有变化。固态上的紫外线照射（365 nm，30 mW cm-2）5分钟后，锚定分子的形成发生了变化并迅速达到平衡（图1d）

图1 响应性螺吡喃基表面具有自增强的界面相互作用力。

2. 自增强的粘附力介导细胞粘附

首先研究了生物界面上的自增强粘附力对细胞粘附的影响。在细胞粘附的早期阶段（4 h），SP表面的细胞扩散面积高于MC–SP表面的细胞扩散面积。这种差异在24小时后逐渐消失并逆转（图2a，b）。与细胞扩散区域相反，在早期（4 h）或成熟（24 h）粘附阶段，自增强MC–SP表面上的粘着斑（FA）面积和细胞长度大于静态SP表面上的（图2c–e）。这表明与普通静态表面相比，动态表面上的细胞粘附机制不同，在静态表面上，细胞更倾向于粘附在具有更大扩散面积和FA尺寸的刚性基材上。

图2 细胞粘附在SP和MC-SP表面上。

3. 自增强粘着力可促进细胞内张力和MSC成骨分化

细胞内张力是细胞机械转导的关键因素。肌球蛋白II是主要的运动蛋白，负责细胞骨架张力的产生。因此，作者通过免疫染色肌球蛋白II（Ser1943）分析了力量自我增强对肌球蛋白II活性的影响。在粘附的早期阶段（4小时），当MC-SP表面的锚定基团主要处于MC状态时，与静态SP表面相比，自响应MC-SP表面上的细胞表现出相对较低的肌球蛋白II活化。这表明由于SP锚的强粘附力，静态SP表面上的细胞在此时间点保持较高的肌动球蛋白收缩性（图3a，b）。自增强过程（24小时），即MC到SP异构化后，MC-SP表面上细胞的肌球蛋白活性明显增强，并达到比静态SP表面上更高的水平。

图3 自增强表面上的细胞张力和干细胞成骨分化。

4. 细胞对自增强粘附力的反应取决于不同的整合素类

整合素与粘附配体（cycloRGDfK，对α5β1和αvβ3整合素具有特异性）的识别和结合将细胞与微环境联系起来并启动机械转导过程。作者在最近的研究中证明，细胞通过α5β1整联蛋白以细胞内不依赖于张力的方式感知可扩散的配体，而通过α5β1和αvβ3整联蛋白的协作感知静态配体。为了了解在动态MC-SP表面上自增强粘附力诱导的机械转导和细胞成骨分化的机制，因此，作者着重研究了α5β1和αvβ3整合素在MC–SP表面上对细胞粘附和细胞内张力产生的作用。

为了检查α5β1和αvβ3整联蛋白在检测配体锚定基团强度中的作用，在粘附初期（4小时）以锚定基团主要在MC中用α5β1整联蛋白和αvβ3整联蛋白的封闭抗体处理细胞。状态在MC–SP表面上。在α5β1整合素阻断后，SP表面和MC–SP表面上的细胞扩散面积均明显减少（图4a，b）。如图4c，d所示，通过阻断α5β1整联蛋白，将FAK（Y397）的磷酸化在MC–SP表面上的抑制程度比在SP表面更强，而通过阻断αvβ3整联蛋白的抑制则在SP表面上的抑制程度更大。因此，在这个早期的粘附期中，α5β1和αvβ3整合素分别对MC-SP和SP表面上的细胞张力产生贡献更大。

图4 整合素类介导细胞对自身增强粘附力的机械反应。

顺序的Rac和RhoA/ROCK信号调节细胞对自身增强粘附力的机械响应：Rho家族的GTPases是分子开关，可介导多种信号转导途径并调节真核细胞中的多种生物学过程。已有研究表明，可扩散的配体通过Rac信号诱导力依赖性细胞粘附，而静态配体通过RhoA / ROCK信号引发力依赖性细胞粘附。因此，作者研究了Rac和RhoA / ROCK信号传导对细胞自我增强反应的功能。在细胞黏附的早期阶段（前4小时，MC–SP表面锚定在MC状态），Rac抑制（使用NSC23766）而不是ROCK抑制（使用Y27632）限制了细胞在MC–SP表面的扩散（图5a，b ）。相反，SP表面的细胞粘附对ROCK抑制而不是Rac抑制敏感（图5a，b）。此外，在细胞扩散早期，MC-SP表面清楚地观察到了Rac诱导的片状脂血症（图5c，d）。这表明弱的MC锚激活了基于Rac的lamellipodia样细胞粘附，而强的SP锚激活了基于RhoA/ROCK的典型力依赖性粘附。作者进一步分析了自增强力（即锚基团的MC–SP异构化）是否可以重新启动基于RhoA / ROCK的粘附。正常生长24小时后，用Y27632处理细胞3小时。在MC-SP和SP表面上的细胞扩散面积均下降到相同水平（图5e，f），表明在动态MC-SP表面上依次激活的Rac和RhoA / ROCK信号传导。

图5 自增强的粘附力通过顺序的Rac和RhoA/ROCK信号传导调节细胞的机械传导。

【通讯简介】

魏强，国家“海外高层次人才引进计划”（第十四批）特聘研究员，国家优秀自费留学生奖获得者，其博士论文获得德国最高等级拉丁文学位荣誉Summa Cum Laude（<1%）。归国前担任马普医学研究所与柏林自由大学联合研究项目组长。

主要从事细胞力学响应与界面生物材料相关研究工作，具备材料学、化学、生物学复合背景，在高分子化学与材料表面改性，以及细胞粘附与力学信号转导等领域均有充分的研究经历。在Nano Letters、ACS Nano、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Advanced Science等主流杂志上发表论文50余篇，论文引总数超过2500次，H-index为23。其中通讯作者与一作者论文20余篇，总影响因子>250，平均影响因子>10，多篇进入ESI高被引论文，单篇最高引用>450。另授权专利3项。担任国际期刊Smart Materials in Medicine与Biosensors编委，担任Frontiers in Bioengineering and Biotechnology、Polymers等期刊的客座编辑，并为ACS、RSC、Wiley、Elsevier等多个主流数据库的众多SCI杂志审稿人，多次受邀为仲裁审稿人。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202006986