DOI: 10.1016/j.actbio.2020.01.009

成纤维细胞与其周围细胞外基质（ECM）之间的机械相互作用指导着疾病发病机制的基本行为，如扩散、迁移和增殖。在体内研究细胞外基质力学的挑战推动了纤维细胞外基质体外模型的发展。天然材料，如胶原水凝胶，在结构和生化方面与基质EMC具有相似性，但在这些条件下的机械研究往往被细胞介导的材料降解以及缺乏结构和机械可调谐性。本文建立了一种由电纺葡聚糖乙烯基砜（Dex VS）聚合物纤维组成的新材料体系。这些纤维基质在单纤维（80-340 MPa）和块状基质（0.77-11.03 kPa）水平上均表现出机械可调性，并且在两周的时间内具有长期稳定的机械性能。细胞与这些基质的粘附性可以由用户定义，通过硫醇化的粘附肽功能化合成纤维或甲基丙烯酸肝素来分离细胞衍生的ECM蛋白。研究者利用Dex VS纤维基质研究了基质力学在成纤维细胞活化为肌成纤维细胞中的作用，这是纤维化进展的关键步骤。与之前非纤维水凝胶基质的研究结果相比，研究者发现软质和可变形基质中的成纤维细胞与具有同等起始结构的较硬基质上的细胞相比，表现出增强的扩散、局灶性粘附形成、增殖和肌成纤维细胞活化。

图1.具有可调架构特征的Dex VS纤维基质。（a）微型PDMS多孔基底的示意图，该多孔基底具有4×4的孔阵列，每个孔支持一个悬挂的Dex VS纤维基质，该基质与cRGD耦合以促进细胞粘附。通过调制电纺丝制备工艺，制备了具有不同纤维密度和排列方式的网络：（b）通过纤维收集持续时间改变纤维密度，（c）通过控制收集表面上两个平行电极之间的间隔距离改变排列方式。比例尺：50μm。

图2.通过AFM三点弯曲法对单个Dex VS纤维进行力学表征。（a）力响应随暴露于不同交联条件下的Dex VS纤维压痕深度的变化。（b）由不同LAP浓度交联20s以及（c）在1.0 mg mL-1 LAP中不同交联时间的Dex VS纤维各自的杨氏模量值。所有数据表示为平均值±标准差；n≥9；*p≤0.05。

图3.通过在校准悬臂梁上附加圆柱压头的微压痕法对悬置Dex VS基质进行力学表征。（a）力响应随暴露于不同交联条件下的Dex VS基质压痕深度的变化。（b）由不同LAP浓度交联20s以及（c）在1.0 mg mL-1 LAP中不同交联时间的Dex VS纤维各自的杨氏模量值。所有数据表示为平均值±标准差；n=6；*p≤0.05。

图4. Dex VS基质的多尺度和时变力学表征。（a）不同交联条件下，基质杨氏模量随单纤维杨氏模量的变化。（b）交联的Dex VS和Dex MA的化学结构图。箭头表示易水解的酯键。（c）Dex VS和Dex MA基质的体积杨氏模量随在基础培养基中孵育时间的变化（持续两周）。所有数据表示为平均值±标准差；n≥6；*p≤0.05。

图5.用细胞粘附肽进行Dex VS功能化和蛋白质的被动吸附。在具有以下功能的Dex VS基质上培养的NHLFs的共聚焦荧光图像：（a）不同cRGD浓度并（c）浸入纤连蛋白（100μg mL-1）、胶原蛋白（100μg mL-1）和胎牛血清中；肌动蛋白（青色），Dex VS纤维（洋红色），核（黄色）。平均细胞扩散面积和粘附细胞数随（b）cRGD浓度和（d）蛋白质功能化的变化。比例尺：200 µm。所有数据表示为平均值±标准差；n≥6；* p＜0.05。

图6.HepMA功能化增加了细胞分泌的纤连蛋白与Dex VS纤维的结合。（a）纤连蛋白（白色）、Dex VS纤维（洋红色）和核（黄色）的共聚焦荧光图像。（b）每个细胞的纤连蛋白信号的定量随基质刚度和HepMA功能化的变化。比例尺：200 µm。 所有数据表示为平均值±标准差；n≥104; *p＜0.05。

图7.柔软、可变形的Dex VS基质促进细胞扩散和局灶性粘连形成。（a）九个代表性细胞的细胞轮廓。比例尺：200μm。（b）若丹明标记的Dex VS纤维的共聚焦荧光图像，细胞轮廓显示为红色。比例尺：100μm。（c）鬼笔环肽染色的NHLFs（青色）和长春新碱（洋红色，左上插图）的共聚焦荧光图像。比例尺：100μm。（d）细胞扩散面积（n≥171）和每个细胞的局灶粘附面积（n≥29）的定量。所有数据表示为平均值±标准差；*p＜0.05。

图8.柔软、可变形的Dex VS基质促进了MF感应。（a）在柔软和坚硬的Dex VS纤维基质上培养7天的NHLFs的共聚焦荧光图像；F-肌动蛋白（青色）、Dex VS纤维（洋红色）、核（蓝色）、α-SMA（黄色）。虚线框指示α-SMA应力纤维的较高放大率图像的位置。（b）通过EdU标记（n≥13）和α-SMA荧光强度（n≥10）量化细胞增殖。比例尺：25μm。所有数据表示为平均值±标准差；*p≤0.05。