近日，中国科学院东莞材料所生物医用材料研究部张晔研究员、胡训武副研究员团队在细胞命运调控与仿生生物材料领域取得重要进展。研究团队设计了一种能够模拟细胞外基质（ECM）功能的超分子“细胞贴片”（Cellular Patch），通过精准调控细胞表面整合素介导的机械信号传导，在无需外源生长因子、化学诱导剂或基因编辑的条件下，实现了间充质干细胞向神经元样细胞的高效重编程。相关成果以“Engineering Apical Integrin-binding Cellular Patches to Direct Cell Reprogramming via Mechanical Remodeling”为题发表于《ACS Nano》。
神经退行性疾病和创伤性神经损伤的修复长期依赖神经元替代策略。然而，目前广泛采用的诱导多能干细胞（iPSCs）和神经干细胞（NSCs）技术仍面临肿瘤形成风险、遗传不稳定性及细胞来源受限等问题。相比之下，间充质干细胞（MSCs）来源丰富、获取方便，具有良好的临床转化潜力，但其较强的细胞骨架张力和核力学稳定性往往限制了神经分化能力。如何通过非基因方式重塑细胞力学状态、释放干细胞的神经分化潜能，是再生医学领域的重要科学问题。
图1. 整合素结合配体工程化设计及其自组装形成类细胞外基质纳米结构。(a)示意图展示整合素结合配体自组装形成细胞外基质（ECM）样纳米结构，并与细胞表面整合素簇结合，诱导细胞骨架重组，将机械信号传递至细胞核，最终促进间充质干细胞（MSC）向神经元样细胞分化。(b)所设计整合素结合多肽的化学结构。(c)多肽P0–P4在水溶液中（200 μM）的圆二色谱（CD）图谱。(d)多肽P0（2 mM）、P1（50 mM）、P2（2 mM）、P3（0.5 mM）和P4（0.5 mM）在水中的透射电子显微镜（TEM）图像。比例尺均为100 nm。(e)分子动力学模拟获得的多肽自组装体代表性构象快照。所有模拟均在边长为21.5 nm的立方模拟盒中进行，对应多肽浓度为50 mM。苯丙氨酸（Phe）残基以青色表示，其余残基以橙色表示。为便于观察，水分子和离子未显示。(f)模拟组装体中溶剂可接触残基（solvent-accessible residues）及表面暴露带电残基（surface-exposed charged residues）的定量分析（n = 3）。(g)模拟自组装体表面5 × 5 nm区域的代表性结构快照。苯丙氨酸残基以青色表示，其余残基以橙色表示。(h)多肽组装体在水溶液中（20 mg/mL，室温）的弹性模量测定结果（n = 10）。(i) P1与P3组装体的频率扫描流变学测试结果。(j) P2与P4组装体的频率扫描流变学测试结果。(k)多肽组装体在水溶液中（20 mg/mL，室温）中的应力松弛（stress relaxation）行为。
针对这一问题，研究团队提出了一种“机械重编程”新策略。研究人员以神经黏附蛋白来源的整合素结合序列IKVAV为基础，通过分子设计赋予其自组装能力，在细胞表面构筑稳定附着的仿ECM超分子贴片。该结构能够选择性激活细胞顶端整合素β1受体，重塑细胞黏附和力学信号传导过程，从而驱动干细胞向神经元样细胞转变。
图2. 多肽组装形成的细胞贴片诱导MSC向神经元样细胞分化。(a) MSC经多肽处理（200 μM，1天）或未处理后的荧光显微图像。细胞分别采用ActinGreen（青色）标记肌动蛋白骨架、DAPI（灰色）标记细胞核、Congo Red（红色）标记多肽组装体。比例尺为50 μm。(b) MSC经多肽处理（200 μM，1天）或未处理后的扫描电子显微镜（SEM）图像。(c) MSC在不同浓度P3或Blebbistatin持续处理14天后的重编程效率，以TUBB3阳性细胞比例进行评估（n = 5）。(d) MSC经P3处理（200 μM，瞬时处理或持续处理14天）或未处理后的荧光显微图像。细胞分别采用ActinGreen（青色）标记肌动蛋白骨架、DAPI（灰色）标记细胞核、Congo Red（红色）标记多肽组装体。(e) MSC经不同多肽持续处理（200 μM，14天）后的重编程效率，以Nestin或TUBB3阳性细胞比例进行评估（n = 5）。持续处理Blebbistatin（10 μM）作为阳性对照。(f)与(e)对应的代表性免疫荧光图像。DAPI（蓝色）标记细胞核，Nestin（黄色）和TUBB3（黄色）分别标记神经干/祖细胞及神经元相关标志物。比例尺为100 μm。(g) MSC经Blebbistatin（10 μM）或不同多肽（200 μM）持续处理14天后的相对基因表达水平，以未经处理MSC（Ctrl）为归一化对照（n = 3）。柱状图下方标注相对于Ctrl的表达倍数变化（fold change）。(h) P3诱导形成的神经元样细胞经Cal-520钙离子探针标记后的钙信号成像结果。黄色荧光点表示插图中红色标记对应的细胞位置；右侧为代表性自发性胞内钙瞬变（spontaneous calcium transients）曲线。统计学分析采用单因素方差分析（one-way ANOVA）并与Ctrl组比较。数据以平均值 ± 标准差（mean ± SD）表示。
研究发现，该细胞贴片可有效促进神经相关标志物表达，并诱导细胞形态、细胞骨架和细胞核结构发生系统性重构。机制研究表明，细胞贴片通过调控整合素β1介导的机械转导通路，驱动“整合素—细胞骨架—细胞核—表观遗传”多层级信号传递，最终实现细胞命运转换。
图3. 细胞贴片通过诱导细胞骨架重塑激活机械信号转导，从而驱动MSC重编程。(a) MSC经Blebbistatin或P3持续处理后，于第3天和第7天测定细胞面积（area）、长宽比（aspect ratio）、圆形度（circularity）和周长（perimeter），并与对照组进行比较。(b) MSC经Blebbistatin或P3处理后第3天的Paxillin和磷酸化肌球蛋白轻链（pMLC）免疫荧光染色代表性图像，同时采用DAPI标记细胞核、F-actin标记细胞骨架。Paxillin染色比例尺为20 μm，pMLC染色比例尺为50 μm。(c) MSC经Blebbistatin或P3处理后第3天的Paxillin黏着斑面积定量分析。(d) MSC经Blebbistatin或P3处理后第3天的pMLC荧光强度定量分析。(e) MSC经Blebbistatin或P3处理后第3天的F-actin总荧光强度定量分析。(f) MSC经Blebbistatin或P3处理后第3天的F-actin平均荧光强度定量分析。(g) Western blot分析MSC经Blebbistatin或P3处理后的FAK、pFAK-Y397、Paxillin、pPAX-Y118及pMLC蛋白表达水平，GAPDH作为内参蛋白。(h) MSC经Blebbistatin或P3处理后第3天的YAP免疫荧光染色代表性图像。比例尺为50 μm。(i) MSC经Blebbistatin或P3处理后第3天，细胞核内YAP荧光强度与胞质YAP荧光强度比值（Nuclear/Cytoplasmic YAP ratio）的定量分析。(j) MSC分别接受P3、FAK14、PF573228、ML-7和Verteporfin处理后的重编程效率分析，以TUBB3阳性细胞比例进行评估（n = 5）。(k)与(j)对应的TUBB3免疫荧光染色代表性图像。比例尺为100 μm。统计学分析采用单因素方差分析（one-way ANOVA）并与对照组（Ctrl）比较。数据以平均值 ± 标准差（mean ± SD）表示。
该研究首次实现了通过超分子配体空间组织调控整合素机械信号编码，建立了“材料结构—整合素网络—细胞命运”之间的定量关联关系，提出了利用仿生细胞外基质实现非遗传性细胞命运调控的新策略。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.6c04114
来源：生物医用材料研究部
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