为体内细胞反应提供新的视角

诸平

马艾克·布里尔（Maaike Bril）

尼古拉斯·库尼亚万（Nicholas Kurniawan）

据埃因霍温科技大学（Eindhoven University of Technology简称TU/e）2023年9月29日提供的消息，该校的研究人员开发了一种新型光响应水凝胶（light-responsive hydrogel），细胞可以在其上生长，以研究细胞如何应对环境变化。

我们的细胞与身体的微环境有着复杂的关系。它已在实验室中进行了研究，但迄今为止，大多数研究都忽略了微环境的动态变化。换句话说，他们观察的是静态世界中的细胞生命。为了更好地代表不断变化的人体中细胞生命的现实，TU/e的研究人员在水凝胶上培养了细胞，其表面几何形状可以根据需要在微米尺度上改变，并通过用蓝光照射来反复重塑。研究结果可能有助于开发未来身体治疗所需的生物材料。这项新研究于2023年9月23日已经在《先进科学》（Advanced Science）杂志网站发表——Maaike Bril, Aref Saberi, Ignasi Jorba, Mark C. van Turnhout, Cecilia M. Sahlgren, Carlijn V.C. Bouten, Albert P.H.J. Schenning, Nicholas A. Kurniawan. Shape-morphing photoresponsive hydrogels reveal dynamic topographical conditioning of fibroblasts. Advanced Science, First published: 23 September 2023. https://doi.org/10.1002/advs.202303136

作为一个细胞，生命可能是艰难的。当它不担心病毒或讨厌的细菌等入侵者时，它就必须应对不断变化的微环境（microenvironment），特别是其所在表面几何形状的变化。

“细胞的微环境是一个繁忙的地方。这里有细胞外基质（extracellular matrix简称ECM）——由纤维、糖和水组成的复杂网络——当然还有其他细胞，这些共同影响细胞的功能和整体生命周期。”埃因霍温科技大学生物医学工程系博士研究员马艾克·布里尔（Maaike Bril）说。

至少可以说，细胞与其微环境之间的这种持续相互作用（即所谓的动态互惠）是复杂的。生物医学工程系助理教授尼古拉斯·库尼亚万（Nicholas Kurniawan）说：“通过相互作用，细胞和环境不断调整它们的结构、几何形状和生物物理特性。然而，关于细胞如何响应微环境的几何变化，还有很多东西有待了解”

发蓝光照射（Shine a blue light）

关于细胞如何响应微环境的变化，已经有大量的实验室研究。然而，许多研究都忽略了一个关键方面。

马艾克·布里尔说：“以前的研究往往侧重于静态设置，其中细胞被放置在可以发生几何变化但在实验期间保持该配置的基底上。这并不代表组织形状不断变化的真实微环境。”

为了捕捉这一方面，马艾克·布里尔、尼古拉斯·库尼亚万和其他 TU/e 同事开发了一种细胞培养基质，其形状或表面形貌可以通过光改变，该基质已在《先进科学》杂志发表。

马艾克·布里尔说：“该基底由光响应螺吡喃水凝胶（photoresponsive spiropyran-based hydrogel）制成。当用特定空间图案的蓝光（波长λ=455 nm）照射时，基底会随着水凝胶膨胀而改变形状，遵循这些引导图案，并且水凝胶的变化几乎是立即。此外，这些变化是可逆的，这意味着水凝胶可以用来研究各种表面形貌对细胞的影响。”

重新设计水凝胶(Redesigning hydrogels)

在研究人员能够在光响应水凝胶上培养细胞之前，研究人员必须解决一个重大问题。“我们必须重新设计水凝胶，然后才能在其上培养细胞，”马艾克·布里尔说。

为了协助水凝胶的设计，马艾克·布里尔和尼古拉斯·库尼亚万联系了化学工程与化学系艾伯特·谢宁（Albert Schenning）教授的团队，该团队专门开发可响应光而改变特性的材料。

“艾伯特·谢宁的团队之前在水中和室温下进行了研究。然而，对于细胞生长来说，条件是不同的；它们需要在表面上生长，在促进生长的介质中，它们需要氧气，并且它们需要加湿的环境。大气温度约为37 ℃——人体的核心温度，”尼古拉斯·库尼亚万说。

然而，事实证明，培养基的化学成分影响了水凝胶对光的反应，这解释了为什么研究人员必须开发一种新的水凝胶，专门创造一个帮助细胞生长的环境。“为了解决这个问题，我们添加了一层弹性橡胶，以保护水凝胶免受细胞培养基中化学物质的影响，这些化学物质会影响水凝胶对光的反应方式，”马艾克·布里尔说。

成纤维细胞记得（Fibroblasts remember）

就他们想要用新方法研究的细胞类型而言，研究人员将重点放在成纤维细胞（fibroblast cells）上。这些细胞负责维护皮肤、不同组织和器官。而且，他们有了一个令人兴奋的发现！

马艾克·布里尔兴奋地说：“我们发现成纤维细胞可以‘记住’它们所居住的表面过去发生的形状变化，这是一个全新的见解！这种对过去动态的记忆使细胞能够改变其功能以满足其需要。在设计未来的生物材料或更好的治疗方法以帮助伤口愈合时，这可能是一个非常重要的考虑因素。”

既然研究人员知道细胞如何响应表面的变化，他们接下来想更多地了解细胞响应环境形状变化时内部发生的情况。

 “如果知道细胞内产生的哪些蛋白质对于形状变化至关重要，那就太好了。并研究它们如何影响所谓的机械记忆，或者在这种情况下是地形记忆（topographical memory），”马艾克·布里尔说。

除此之外，研究人员计划更详细地研究细胞如何与其他细胞相互作用，因为实际上，体内的细胞并不孤单。“细胞生命中不可或缺的一部分是与邻近细胞的相互作用和沟通，”马艾克·布里尔补充道。

除了进一步探索细胞与细胞之间的相互作用之外，研究人员还希望了解如何以新的、令人兴奋的方式应用他们的研究。“支持活细胞基质的形状变形水凝胶可能有很多有待探索的应用。例如，我们可以用它们来模拟组织在生长过程中如何改变形状和大小，”尼古拉斯·库尼亚万说。

该研究项目得到了欧洲研究委员会(European Research Council简称ERC)在欧盟地平线2020研究和创新计划(European Union's Horizon 2020 research and innovation program: CoEvolve, grant no. 851960; ForceMorph, grant no. 771168)，荷兰研究理事会(Dutch Research Council: OCENW.XS21.4.146)，以及由荷兰科学研究组织(Netherlands Organization for Scientific Research 024.003.013)资助的重力计划“材料驱动再生”(Gravitation Program “Materials Driven Regeneration”)的支持或资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The extracellular environment defines a physical boundary condition with which cells interact. However, to date, cell response to geometrical environmental cues is largely studied in static settings, which fails to capture the spatiotemporally varying cues cells receive in native tissues. Here, a photoresponsive spiropyran-based hydrogel is presented as a dynamic, cell-compatible, and reconfigurable substrate. Local stimulation with blue light (455 nm) alters hydrogel swelling, resulting in on-demand reversible micrometer-scale changes in surface topography within 15 min, allowing investigation into cell response to controlled geometry actuations. At short term (1 h after actuation), fibroblasts respond to multiple rounds of recurring topographical changes by reorganizing their nucleus and focal adhesions (FA). FAs form primarily at the dynamic regions of the hydrogel; however, this propensity is abolished when the topography is reconfigured from grooves to pits, demonstrating that topographical changes dynamically condition fibroblasts. Further, this dynamic conditioning is found to be associated with long-term (72 h) maintenance of focal adhesions and epigenetic modifications. Overall, this study offers a new approach to dissect the dynamic interplay between cells and their microenvironment and shines a new light on the cell's ability to adapt to topographical changes through FA-based mechanotransduction.