科研新闻 | 美柏生物首席科学家魏强教授团队在国际生物顶刊《Nature Communications》发布最新研究成果

近期，美柏生物首席科学家魏强教授团队等于国际生物顶级期刊《Nature Communications》在线发表题为“Dynamic rigidity changes enable rapid cell migration on soft substrates”的研究论文。

细胞迁移在各种生物过程中至关重要，受周围刚度的调节。静态条件下的研究表明，迁移有利于刚性基材，因为较软的基材 （<4 kPa） 无法提供足够的牵引力。

本研究表明，间充质干细胞（MSC）在暴露于基质刚度的快速周期性变化时可以克服这一限制。

在动态条件下，细胞牵引力逐渐上升，促进粘连斑的快速机械周转。这种适应消除了对细胞极性的需要和传统间充质型迁移通常需要的粘连斑的机械化学周转。研究的理论模型考虑了动态条件下的力平衡，可以充分预测快速迁移速度以及迁移过程中的形状演变。研究结果强调了细胞在波动的机械线索中导航的先天能力，强调了一种通用的细胞反应机制，用于理解动态生理或病理条件下的细胞行为。

细胞迁移在从组织发育和伤口愈合到癌症转移的各种生理和病理事件中发挥着至关重要的作用。大量研究揭示了驱动细胞迁移的复杂分子机制，强调了化学信号和生物物理线索的影响。这些线索包括细胞粘附配体的密度、形态，尤其是细胞外基质 (ECM) 的机械特性。其中，基质的刚性被认为是控制细胞迁移的关键因素。在刚性基质上，细胞通常采用间充质迁移模式，其特征是拉长的形态和稳定的粘着斑（FA）的形成。这种行为对于癌细胞的发育过程和扩散是不可或缺的。

Chan 和 Odde 制定的电机离合器模型提供了一个全面的框架来理解机械信号对细胞迁移的影响，详细说明了粘附和力传递的动力学。根据该模型，F-肌动蛋白丝的聚合驱动细胞边缘向前，并被 ATP 依赖性肌球蛋白 II 活性产生的回缩力抵消。然而，由于推进所产生的牵引力不足，细胞在硬度低于 4 kPa 的基底上迁移会遇到困难。

这种传统的观点虽然信息丰富，但不足以解释各种组织和器官（例如肺、肝脏和乳房）的自然柔软环境中的细胞迁移。细胞在这些软基质内迁移所采用的策略仍然知之甚少。最近的进展强调，空间梯度刚性（杜罗轴）和时间依赖性刚性（在粘弹性基质上）都会显着影响细胞迁移模式。值得注意的是，促进细胞迁移的最佳基质粘弹性的识别强调了牵引力平衡的重要性，如分子离合器模型中所述。之前的研究表明，基质刚性的快速变化会导致力转导信号蛋白的积累，从而增强细胞牵引力。基于这些发现，美柏生物首席科学家魏强教授及其团队的目标是研究基质刚性的全局时间动态变化对细胞跨软基质迁移的影响。

图2 细胞在具有快速循环刚度变化的基质上迁移的细胞形态

（图源自Nature Communications）

在这项工作中，美柏生物首席科学家魏强教授及其团队研究了基质刚性的周期性变化对软基质上细胞运动的影响。值得注意的是，研究发现基质刚性的快速循环变化，即使幅度较小，约为 28%，也可以将人间充质干细胞 (hMSC) 的迁移速度显着提高 36 倍。在这些动态基质上，细胞表现出与常见的间充质迁移模式不同的独特的形态变化循环。细胞首先伸长，增加其纵横比，然后迅速恢复到更圆形的形状，并以随机方向重复此过程。这种模式表明细胞可以根据机械信号的微小变化调整其迁移策略，挑战了细胞在软基质上基本上静止的普遍观念。为了进一步理解，作者引入了一个将机械传感与后续机械传导途径相结合的模型。研究结果表明，动态条件引起的力不平衡是快速随机细胞迁移的强大驱动力。这种适应性机制绕过了间充质迁移的传统要求，这通常涉及细胞极性，以及前缘和后缘粘附和细胞骨架分子的周转。本研究对可变机械条件下细胞迁移动力学的研究揭示了细胞运动的细致入微的观点，为了解基底刚性不是静态的健康和疾病状态下的细胞行为提供了重要的见解。

      在未来的研究中，美柏生物科研团队将进一步深入探讨间充质干细胞（MSC）、人间充质干细胞 (hMSC) 、诱导性间充质干细胞（iMSC）等，通过对“年轻化”表型细胞和材料的研究，为活性生物材料设计和组织工程应用提供重要的理论支持。

      美柏生物是一家以突破性人源iPSC细胞体外表达技术为核心，以研发和创新驱动的再生医学企业。公司已实现近似天然人细胞外基质（ECM）胶原的规模化量产，并成功构建自己的组织特异性仿生细胞外基质表达平台MAYBIO MATRIX®，致力于打造全球规模最大的人源ECM研产销一体基地，同时还可提供委托研发、生产服务。

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