DOI: 10.1016/j.actbio.2020.01.009
成纖維細胞與其周圍細胞外基質（ECM）之間的機械相互作用指導著疾病發病機制的基本行為，如擴散、遷移和增殖。在體內研究細胞外基質力學的挑戰推動了纖維細胞外基質體外模型的發展。天然材料，如膠原水凝膠，在結構和生化方面與基質EMC具有相似性，但在這些條件下的機械研究往往被細胞介導的材料降解以及缺乏結構和機械可調諧性。本文建立了一種由電紡葡聚糖乙烯基砜（Dex VS）聚合物纖維組成的新材料體系。這些纖維基質在單纖維（80-340 MPa）和塊狀基質（0.77-11.03 kPa）水平上均表現出機械可調性，并且在兩周的時間內具有長期穩定的機械性能。細胞與這些基質的粘附性可以由用戶定義，通過硫醇化的粘附肽功能化合成纖維或甲基丙烯酸肝素來分離細胞衍生的ECM蛋白。研究者利用Dex VS纖維基質研究了基質力學在成纖維細胞活化為肌成纖維細胞中的作用，這是纖維化進展的關鍵步驟。與之前非纖維水凝膠基質的研究結果相比，研究者發現軟質和可變形基質中的成纖維細胞與具有同等起始結構的較硬基質上的細胞相比，表現出增強的擴散、局灶性粘附形成、增殖和肌成纖維細胞活化。
圖1.具有可調架構特征的Dex VS纖維基質。（a）微型PDMS多孔基底的示意圖，該多孔基底具有4×4的孔陣列，每個孔支持一個懸掛的Dex VS纖維基質，該基質與cRGD耦合以促進細胞粘附。通過調制電紡絲制備工藝，制備了具有不同纖維密度和排列方式的網絡：（b）通過纖維收集持續時間改變纖維密度，（c）通過控制收集表面上兩個平行電極之間的間隔距離改變排列方式。比例尺：50μm。
圖2.通過AFM三點彎曲法對單個Dex VS纖維進行力學表征。（a）力響應隨暴露于不同交聯條件下的Dex VS纖維壓痕深度的變化。（b）由不同LAP濃度交聯20s以及（c）在1.0 mg mL-1 LAP中不同交聯時間的Dex VS纖維各自的楊氏模量值。所有數據表示為平均值±標準差；n≥9；*p≤0.05。
圖3.通過在校準懸臂梁上附加圓柱壓頭的微壓痕法對懸置Dex VS基質進行力學表征。（a）力響應隨暴露于不同交聯條件下的Dex VS基質壓痕深度的變化。（b）由不同LAP濃度交聯20s以及（c）在1.0 mg mL-1 LAP中不同交聯時間的Dex VS纖維各自的楊氏模量值。所有數據表示為平均值±標準差；n=6；*p≤0.05。
圖4. Dex VS基質的多尺度和時變力學表征。（a）不同交聯條件下，基質楊氏模量隨單纖維楊氏模量的變化。（b）交聯的Dex VS和Dex MA的化學結構圖。箭頭表示易水解的酯鍵。（c）Dex VS和Dex MA基質的體積楊氏模量隨在基礎培養基中孵育時間的變化（持續兩周）。所有數據表示為平均值±標準差；n≥6；*p≤0.05。
圖5.用細胞粘附肽進行Dex VS功能化和蛋白質的被動吸附。在具有以下功能的Dex VS基質上培養的NHLFs的共聚焦熒光圖像：（a）不同cRGD濃度并（c）浸入纖連蛋白（100μg mL-1）、膠原蛋白（100μg mL-1）和胎牛血清中；肌動蛋白（青色），Dex VS纖維（洋紅色），核（黃色）。平均細胞擴散面積和粘附細胞數隨（b）cRGD濃度和（d）蛋白質功能化的變化。比例尺：200 μm。所有數據表示為平均值±標準差；n≥6；* p＜0.05。
圖6.HepMA功能化增加了細胞分泌的纖連蛋白與Dex VS纖維的結合。（a）纖連蛋白（白色）、Dex VS纖維（洋紅色）和核（黃色）的共聚焦熒光圖像。（b）每個細胞的纖連蛋白信號的定量隨基質剛度和HepMA功能化的變化。比例尺：200 μm。 所有數據表示為平均值±標準差；n≥104; *p＜0.05。
圖7.柔軟、可變形的Dex VS基質促進細胞擴散和局灶性粘連形成。（a）九個代表性細胞的細胞輪廓。比例尺：200μm。（b）若丹明標記的Dex VS纖維的共聚焦熒光圖像，細胞輪廓顯示為紅色。比例尺：100μm。（c）鬼筆環肽染色的NHLFs（青色）和長春新堿（洋紅色，左上插圖）的共聚焦熒光圖像。比例尺：100μm。（d）細胞擴散面積（n≥171）和每個細胞的局灶粘附面積（n≥29）的定量。所有數據表示為平均值±標準差；*p＜0.05。
圖8.柔軟、可變形的Dex VS基質促進了MF感應。（a）在柔軟和堅硬的Dex VS纖維基質上培養7天的NHLFs的共聚焦熒光圖像；F-肌動蛋白（青色）、Dex VS纖維（洋紅色）、核（藍色）、α-SMA（黃色）。虛線框指示α-SMA應力纖維的較高放大率圖像的位置。（b）通過EdU標記（n≥13）和α-SMA熒光強度（n≥10）量化細胞增殖。比例尺：25μm。所有數據表示為平均值±標準差；*p≤0.05。
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