在人体内或组织中，细胞周围环绕着由多种大分子组成的复杂网络。这种名为细胞外基质（Extracellular matrix，ECM）的网络，与细胞之间存在双向的机械交换作用，并因此影响细胞许多功能的发挥。
为了研究细胞和 ECM 之间的相互作用，需要先模拟出细胞的真实生长环境，但目前实验室常用的二维细胞培养法，无法真正地模拟细胞的三维生长环境。
为了解决上述问题，来自河北工业大学、中国科学院深圳先进技术研究院等研究团队，利用一种仿生水凝胶材料，模拟构建了适合细胞生长的微环境。这种名为螺旋聚异氰多肽（Polyisocyanide，PIC）的水凝胶材料完全由人工合成。
从结构上看，该材料属于半柔性聚合物，拥有由侧链氢键来维持稳定的螺旋骨架。这种结构赋予聚合物应力刚化的仿生力学性质，也就是说，当 PIC 水凝胶受到外力刺激时，其自身的刚度会增加，从而为细胞提供一个主动力学适配的环境。
基于所构建的微环境平台，该团队研究了 PIC 的纤维网络结构、非线性力学以及长距离力学传输性质对细胞 -ECM 相互作用的影响。
结果表明，PIC 水凝胶类似于天然 ECM（例如：胶原蛋白和 Matrigel），可主动响应细胞牵引力，介导双向的细胞-基质相互作用。此外，他们还利用 PIC 水凝胶的可调性，系统分析了材料生化和机械性质对细胞和基质相互作用的影响，这为细胞生物力学的深入研究提供了良好的平台。
图丨PIC 基质中细胞介导的基质重塑（来源：PNAS）
河北工业大学副教授表示：“PIC 水凝胶具有良好的仿生性和可调性，可简单通过链长或侧链修饰，定制设计符合具体实验需求的体系，从而让 PIC 服务于研究人员的科学设计，助力生物学问题的阐释。”
图丨袁宏博（来源：）
“从应用上看，该材料可以为细胞 3D 培养提供良好的基质模型。”目前，该团队正在与荷兰的一家公司合作，推进材料的商业化。“我预计大家很快就能够在市场上看到 PIC 水凝胶，届时任何有需求的研究人员都可以获取，让它更好地为大家的实验提供服务。”说。
2023 年 4 月 3 日，相关论文以《仿生纤维水凝胶介导的细胞-基质相互作用》（）为题在 PNAS 上发表[1]。
图丨相关论文（来源：PNAS）
副教授为该论文第一作者兼通讯作者，中国科学院深圳先进技术研究院刘开政助理研究员为共同第一作者。比利时鲁汶大学苏珊娜·罗沙（）助理教授和荷兰奈梅亨大学保罗·库维尔（）副教授担任论文的共同通讯作者。
此外，值得一提的是，Nature Reviews Bioengineering 官网还以研究亮点的形式对该成果进行了报道[2]。
图丨Nature Reviews Bioengineering 官网研究亮点报道（来源：Nature Reviews Bioengineering）
该研究始于 2017 年。表示，在一次偶然的机会下，该团队把细胞和材料一同放在流变仪上，想观察细胞介导的材料的机械性质变化，他们在过程中发现，细胞能显著提高整个材料的宏观刚度。
之后，他们又观察到，细胞在材料中迁移时，会留下许多与蚯蚓挖的孔洞类似的结构。基于这两个现象，他们开始探究其背后存在的机理。
图丨生化/力学特性对细胞-基质力学相互作用的影响（来源：PNAS）
在研究过程中，他们需要对细胞和材料之间力的相互作用进行表征。一般来说，业界会使用细胞牵引力显微镜技术，不过因为 PIC 的孔径较大，达到微米级别，所以传统使用的荧光微珠在 PIC 凝胶网络中不能稳定，导致无法利用荧光微珠准确示踪基质的位移。
为了攻克这方面的问题，该团队通过点击化学方法，给聚合物标记了荧光。然后，再通过显微成像的方法，将整个网络结构表征出来。最后，通过细胞牵引力显微镜技术的一些数学模型，计算出基质的位移，实现了一种无需荧光微珠的细胞牵引力显微镜技术（Bead-free TFM）。
如上所述，除了具有非线性的力学性质，PIC 还拥有类似于胶原蛋白的纤维状结构，这使得材料无论从结构上、还是从力学性质上看，都具有良好的仿生特点，也因此能够响应细胞牵引力，并与细胞形成双向的互动，进而产生一系列作用，比如由细胞引起的 ECM 刚度增加、基质重塑和细胞周围纤维状结构密度的显著提高。
不过，也表示：“虽然这种材料具有诸多优点，但目前还无法测量出细胞牵引力的定量值，因此接下来我们打算进一步量化这些数值。”同时，该团队还计划探索该材料的其他功能是否会对细胞和 ECM 的相互作用产生影响。
参考资料：
1.H., Yuan, K., Liu. et al. Synthetic fibrous hydrogels as a platform to decipher cell–matrix mechanical interactions. PNAS 120 (15) e2216934120（2023）. https://doi.org/10.1073/pnas.2216934120
2. Bakhshandeh, S. A designer matrix to study cell–ECM interactions. Nature Reviews Bioengineering 1, 311 (2023). https://doi.org/10.1038/s44222-023-00071-3
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