《自然·通讯》具有大分子致动器的3D水凝胶平台，用于精确控制癌症细胞迁移的机械力！

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摘要

机械力在调节癌症细胞行为中起着关键作用，尤其是在转移过程中。在这里，我们提出了一种三维水凝胶平台，该平台嵌入了近炎症响应性大分子致动器，能够精确机械刺激癌症细胞中的特定整合素亚型。通过利用该系统，我们研究了不同的力参数——大小、频率和持续时间——如何影响卵巢癌症细胞球体的迁移和侵袭，重点研究了整合素αvβ3和αvβ6。我们发现，机械刺激在早期会增强集体侵袭，并在后期迁移过程中引发间充质到变形虫的转变，特别是当高频、大振幅的力破坏αvβ3配体相互作用时。相比之下，在类似条件下，通过更高的亲和力结合与αvβ6结合的细胞显示出有限的转变。分子模拟通过揭示整合素特异性反应的潜在机制来支持这些发现。该3D水凝胶平台为研究癌症细胞的机械传导提供了强大的工具，并为开发靶向癌症疗法提供了潜在的见解。

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图文速览

图1：水凝胶平台的设计和操作机制。

使用由分子致动器CD-PNIPAM配体功能化的3D DexMA水凝胶平台进行细胞迁移操纵的示意图，由NIR光调节。细胞球体被包裹在水凝胶中。当用两种不同的亚型特异性拟肽配体进行功能化时——RGD用于αvβ3，RTDLDSLRT（简称RTD）用于αvα6——在不同的施力参数下4天后观察到不同的细胞迁移模式。

图2：用大分子致动器官能化的DexMA水凝胶的制备、机械和光热性能。

DexMA水凝胶的制备和细胞包封过程的示意图。b DexMA水凝胶的时变储能模量（G′）和损耗模量（G〃）。c不同浓度交联剂（NCD肽）对DexMA水凝胶储能模量（G′）的影响。该研究包括每组三个重复实验（n = 3). d由DexMA和不同分子量的接枝CD-PNIPAM-RGD组成的水凝胶的溶胀行为。该研究包括每组三个重复实验（n = 3). e用CD-PNIPAM-RGD、CD-PDMA-RGD和PNIPAM-RGD官能化的DexMA水凝胶的紫外-可见-近红外吸收光谱。f在808℃下用CD-PNIPAM-RGD、CD-PDMA-RGD和PNIPAM-RGD官能化的DexMA水凝胶光热加热期间获得的代表性热图像 nm激光照射（6.6μW/μm2），比例尺=1 cm.g在808℃下用CD-PNIPAM-TTC官能化的DexMA水凝胶区域的温度波动 nm激光曝光（6.6μW/μm2，1 Hz，10%占空比；地面温度=29 °C），由红外摄像头拍摄。（b，c）中的数据以平均值表示  ±  S.D.

图3:DexMA 3D水凝胶中力刺激对细胞迁移的影响。

a-c移植CD-PNIPAM-RGD的DexMA 3D水凝胶中细胞的代表性亮场和荧光图像。（a）、CD-PDMA-RGD（b）、PNIPAM-RGD（c），每种分子量为15 9.2以下的kDa μW/μm2，10 Hz NIR照明在NIR照明期间随时间跟踪细胞。被照亮的区域由一个红色虚线圆圈划分。比例尺=50 μm.孵化温度=25 °C.肌动蛋白和细胞核分别显示为绿色和蓝色。d描绘在两个确定的感兴趣区域内，包封在与CD-PNIPAM-RGD共轭的水凝胶中的球体芽长随时间平均相对增加的图：ROI1（NIR照射）和ROI2（非照射）。 n = 55,47个细胞。 ***P  <  0.001 e–f分别用CD-PDMA-RGD（e）和PNIPAM-RGD（f）官能化的对照水凝胶进行相同的实验。ROI1（近红外照明）和ROI2（非照明）。 n = 55,从左到右分别为64、57、56个单元格。 ns p = 0.32835, 0.40963.在三个独立的实验中，从至少12个细胞球体中收集了数据。g荧光成像显示肌动蛋白（灰色）、vinculin（绿色）和整合素αVβ3（红色）的表达。比例尺=200 μm用于10倍照片，20 μm用于放大照片。h在4个光照周期后，形成FA的细胞比例明显更高。具有局灶性粘附的细胞是3个独立实验的统计结果，每个实验3个球体。（d–f，h）中的数据以平均值表示  ±  使用非配对单尾Student t检验比较每种条件下非照明和照明区域的S.D.数据。

图4：各种条件下力诱导的细胞迁移。

不同NIR功率密度下细胞球体的荧光图像。b不同脉冲频率下细胞芽长的测量（n = 33,33、30个细胞）。c脉冲频率刺激下球体的荧光图像。 *P = 0.01272, ***P < 0.001 d不同近红外功率密度下芽长的测量（n = 31,32、29个细胞）。 **P = 0.00905, ***P < 0.001 e不同致动器轮廓长度下球体的荧光图像。f不同致动器轮廓长度下的芽长测量（n = 31,35、30个细胞）。 ***P < 0.001, ns P = 0.94032 肌动蛋白和细胞核分别显示为绿色和蓝色。比例尺=100 μm.孵化温度=25 °C.在每种条件下，在三个独立的实验中从至少八个细胞球体中收集数据。使用单因素方差分析（ANOVA）比较不同条件下的数据，然后进行Tukey的事后检验。CD-PNIPAM-RGD致动器的照明频率、功率密度或分子量的增加显著增强了细胞迁移，然而，超过一定阈值后，分子量的进一步增加并没有带来额外的改善。

图5:CD-PNIPAM-RGD和CD-PNIPAM-MRT在强力作用下的不同细胞迁移模式示意图。

a用CD-PNIPAM-RGD激活的整合素αvβ3的示意图和显示4天内细胞迁移的延时明场图像。比例尺：100 μm.b第4天的荧光图像来自a.比例尺：100μm。c显示与间充质细胞相比，变形虫细胞中SNAI1表达增强的代表性图像。比例尺：10 μm.d与变形虫细胞相比，间充质细胞中E-cadherin表达增强的代表性图像。肌动蛋白的免疫染色图像以绿色突出显示，细胞核（DAPI，4,6-二脒基-2-苯基吲哚）以蓝色突出显示，SNAI以黄色显示，E-cadherin以红色显示。CD-PNIPAM-RTD激活的整合素αvβ6示意图和延时明场照片显示了4天内的细胞迁移。比例尺：100 μm.f–h施力4天后，定量分析CD-PNIPAM-RGD或CD-PNIPAM-MTD功能化水凝胶中细胞的细胞表型分布，用于评估（f）脉冲频率、（g）NIR功率密度和（h）致动器分子量（Mw）的影响。f–h每个数据点代表一个独立的球体（生物复制，n = 9 球体/组，3个实验）。对于（f）*P = 0.01565, *P = 0.01766,ns=0.62788，ns=0.75417，（g）*P = 0.03366 *P = 0.01495, ns P = 0.97658, ns P = 0.58146 （h） **P = 0.00126, *P = 0.02328, ns P = 0.84325, ns P = 0.34575. i–k施力4天后细胞最大迁移长度的定量分析，用于评估i脉冲频率、j近红外功率密度和k致动器分子量（Mw）的影响。（i-k）每种情况的样本量如下：（i）n = 54,54、30、65、65、60个单元格（j）n = 54,65、30、24、25、60个单元格（k）n = 53,从左到右分别取9个球体中的48、30、51、50、60个细胞。对于（i）*P = 0.04095, ***P < 0.001, *P = 0.04568, **P = 0.0928,（g）*P = 0.04611 ***P < 0.001, *P = 0.04282, ***P < 0.001 （h） ***P < 0.001, ***P < 0.001, **P = 0.0764, ***P < 0.001. f-k中的数据以平均值表示  ±  使用单因素方差分析（ANOVA）比较不同条件下的S.D.数据，然后进行Tukey的事后检验。对于CD-PNIPAM-RGD致动器，增加照明频率、功率密度和致动器分子量会增强细胞MAT和迁移。相比之下，对于CD-PNIPAM-RTD致动器，这些增加改善了细胞迁移，但没有显著影响MAT比。

图6：整合素-配体相互作用和力诱导解离动力学的计算分析。

a, b Interactions between the ligand motif and (a) αvβ3 integrin and (b) αvβ6 integrin (RGD/αvβ3 complex Protein Data Bank (PDB) ID: 1L5G, RTD/αvβ6 complex obtained from molecular docking). c The ligand bound to the integrin headpiece in a water box used for equilibration and steered molecular dynamics (SMD) simulations. d Force-induced dissociation trajectory of the ligand from integrin αvβ3 through steered molecular dynamics. The force profiles were obtained from five independent simulations, with the ligand being pulled away from integrin at a speed of v = 0.06 Å⋅ps−1 e Average peak force required for dissociation. For every group, the force calculated were from the same initial state of simulation but with different random seeds. The data in (e) is presented as mean values  ±  S.D. ***P = 0.000179.

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总结与展望

在这项研究中，我们通过将分子致动器CD-PNIPAM-RGD结合到基于葡聚糖的水凝胶中，扩展了我们之前的工作，创建了一个能够在3D微环境中对特定细胞受体施加局部力的创新平台。这些致动器利用一种将近红外（NIR）光转化为热量的克罗科宁染料（CD）发色团，触发热响应性PNIPAM链收缩并对靶细胞受体施加张力。利用这一先进的系统，我们研究了不同的机械力参数——大小、频率和持续时间——如何影响卵巢癌症Hey细胞球体的迁移和侵袭行为。为了进一步了解特定整合素亚型在这些过程中的作用，我们用两种不同的亚型特异性配体对致动器进行了功能化：αvβ3的RGD和αvβ6整合素的RTD。我们的研究结果表明，在细胞运动的早期阶段，机械力的应用会增强集体细胞侵袭。此外，我们在后期观察到显著的间充质到变形虫的转变（MAT），特别是当RGD-αvβ3复合物受到高频和高振幅力时。相反，在相似条件下，通过RTD-αvβ6复合物刺激的细胞表现出最小的MAT。分子力学模拟进一步验证了这些观察结果，强调了特定力参数和整合素相互作用在调节细胞行为中的关键作用。值得注意的是，与其他方法相比，我们的方法具有明显的优势：虽然光遗传学/光机系统需要基因修饰或侵入性光活化，这会破坏天然细胞信号传导，与3D水凝胶在化学上不相容，而且由于体力传导（例如通过磁珠或电场），机电/磁力学方法通常缺乏分子尺度的精度，但我们的平台能够在3D环境中以更高的分子精度进行精确的非侵入性施力。这种能力使我们的系统成为机械转导研究的有力工具，为特定受体亚型介导的初级机械刺激与细胞行为之间的关系提供了有价值的见解。因此，该平台不仅深化了我们对细胞力学的基本理解，还为开发靶向治疗策略和更复杂的仿生材料铺平了道路。

文 献

Li, B., Fu, Q., Lu, Y. et al. 3D hydrogel platform with macromolecular actuators for precisely controlled mechanical forces on cancer cell migration. Nat Commun 16, 4831 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60062-3

来源：柔性电子与能源