中国青年学者一作兼通讯，最新Science子刊：光控仿生纤维水凝胶让细胞微环境“按需”重塑

生命体中的纤维软物质构成了组织的重要基础，胶原等结构蛋白形成的纤维网络不仅作为支架，还通过交联和裂解动态适应机械应力、损伤修复和发育疾病进程中的重塑；在细胞外基质中，交联提供机械稳定性，酶介导的裂解允许基质重塑和周转，二者平衡调控细胞黏附、迁移和机械转导。合成纤维材料虽已用于模拟细胞外基质，但能够以可控、响应性方式与细胞相互作用的动态纤维组装仍研究不足；此前的仿生聚异氰基肽（PIC）水凝胶虽可通过温度、pH、磁场或不可逆交联调控力学性能，但这些线索难以与细胞实验兼容，或驱动细胞行为的能力有限。因此，如何在合成仿生纤维水凝胶中实现时空可控、可逆且生物相容的基质动态调控，并据此研究细胞—基质相互作用，成为该研究要解决的挑战。

针对这一挑战，荷兰拉德堡德大学Paul H. J. Kouwer教授、Chen Wen博士和马斯特里赫特大学Lorenzo Moroni课题组合作，在合成且高度仿生的纤维水凝胶中引入光化学控制的动态网络调控，并作为概念验证，利用对自适应体外模型力学性能的动态控制来调节三维间充质基质细胞培养中的细胞铺展和机械转导。该方法为具有按需力学自适应能力的凝胶提供了新途径，同时保留了易加工性和细胞提取能力。相关论文以“In situ processing of fibrous hydrogels by photochemistry for adaptive cellular microenvironments”为题，发表在Science Advances上。

研究首先以天然纤维网络为参照（图1A），在合成体系中制备香豆素修饰的CPIC聚合物（图1B），并展示其纤维形成（图1C、1D）；365 nm紫外光照射使香豆素二聚交联（图1E），254 nm照射则裂解环丁烷环、恢复热可逆性（图1F）。据此，研究提出光控纤维组装可影响细胞—基质相互作用和细胞行为的设想（图1G），并在后续细胞实验中验证。这一设计的关键在于：光可在纤维束内部可逆地“加交联”或“去交联”，从而在不明显改变网络结构的前提下调节基质动态。

图1. 实验设计。

为验证光控是否真正改变网络交联与力学状态，研究用吸收光谱跟踪香豆素二聚和裂解（图2A、2B），并用流变学在成胶、照射、冷却和再加热阶段量化交联效率与力学性能（图2C、2D）。结果显示，365 nm照射使二聚化程度稳定在67%（图2A），254 nm照射可降至16%（图2B），并具有可重复循环性；交联主要发生在纤维束内部，除最高浓度12 mg/mL有小影响外，基本不改变37 °C刚度和应变硬化性能（图2D至2G），但可降低凝胶塑性（图2H、2I）；交联效率和塑性可通过光强、照射时间及顺序照射调节，顺序照射可使塑性部分恢复至约39%（图2J、2K）。

图2. 光响应凝胶的力学性能。

在证明光控力学之后，研究将细胞黏附肽GRGDS偶联到CPIC聚合物上（图3A），将人间充质基质细胞封装于三维CPIC水凝胶中，分别进行365 nm单次照射和254 nm顺序去交联（图3B、3C），并通过活死染色、ATP检测和caspase实验评估生物相容性。结果表明，第14天即使最长照射样品中仍有超过85%细胞存活（图3F、3G），代谢和凋亡指标无显著负面差异，说明该光交联纤维水凝胶体系在所用紫外剂量下对hMSC具有良好的生物相容性；明场和荧光代表性图像见图3D、3E。

图3. CPIC水凝胶的生物相容性。

随后，研究把光控塑性用于细胞形态和基质重塑研究，在单次照射、不同时长顺序照射和无照射的CPIC水凝胶中培养hMSC 14天（图4A至4E），并结合荧光标记基质追踪细胞周围的重塑范围（图4A至4E的b、c，图4F、4G）。结果显示，顺序照射使细胞延长、形成突起和细胞连接，形态接近未照射组（图4B至4E的a），单次照射组细胞较少拉伸（图4Aa）；单次照射与顺序照射30秒的细胞形态相似、与顺序照射90秒显著不同（图4H至4O）；未照射高塑性水凝胶支持最大空间距离的基质重塑（图4F、4G），细胞面积、周长和长轴长度最高、核圆度最低（图4H、4J、4L、4O）。这表明在该恒刚度模型中，基质塑性是独立于刚度变化调控细胞铺展和基质重塑的重要因素。

图4. 基质动态交联和裂解改变hMSC形态。

进一步，研究以低密度hMSC封装于RGD-CPIC水凝胶，在第14天通过免疫荧光分析YAP核质定位（图5A至5E），以检验基质纤维动态对机械转导的影响。未照射水凝胶中YAP呈显著核定位，核/质比约2.15（图5E、5F）；365 nm单次照射后胞质YAP升高、核/质比约0.33（图5A、5F）；顺序照射90秒后核/质比约0.58（图5D、5F）。这表明基质纤维的交联和裂解动态可显著影响细胞机械感知和机械转导。

图5. 基质原位调控细胞机械转导。

总体而言，该研究将香豆素光化学引入仿生PIC纤维水凝胶，实现了原位可逆交联和裂解、光辅助愈合与可打印性，并在测试浓度范围内基本不改变刚度和应变硬化性能的情况下调节基质塑性，进而调控hMSC铺展、基质重塑和YAP定位。这种按需力学自适应凝胶为细胞外基质重塑和细胞行为研究提供了动态工具；未来进一步检查黏附抑制后的机械敏感信号，将有助于阐明相关响应机制。