《Bioactive Materials》：Cell type-specific response to curvature controls tissue growth dynamics in biomaterial pores
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本文聚焦于生物材料孔隙中细胞行为与组织形成的关键调控参数——表面曲率。针对目前不同细胞类型如何感知和响应曲率、其内在机制不明的问题，研究者利用精密控制的微几何环境，揭示了细胞适应曲面（特别是凹面）的两种不同策略：细胞跨越（spanning）与层层沉积（layer-by-layer）。研究发现，细胞间充质和表面衬里细胞因粘着斑（Focal Adhesions, FAs）分布模式的根本差异，导致其对曲率的响应截然不同，并最终影响组织生长动力学和最终结构。这项机制性研究为设计具有细胞指导特性的生物材料提供了框架，能预测特定细胞类型的最佳孔径，对组织工程和伤口愈合应用具有重要意义。
多孔生物材料就像为细胞搭建的“新家”，其内部结构，尤其是孔隙的大小和形状，深刻影响着细胞的迁移、组装和最终新组织的形成。长期以来，科学家们知道细胞能够感知并响应其周围环境的物理特性，包括表面曲率。然而，一个悬而未决的关键问题是：不同类型的细胞，例如负责修复伤口的成纤维细胞、具有分化潜能的间充质干细胞、以及构成血管内壁的内皮细胞，它们对曲率的响应是否相同？为什么它们会有不同的反应方式？理解这些细胞类型特异性的行为，是设计下一代“智能”生物材料，使其能够精确引导特定细胞行为、实现高效组织再生的关键。
为了解开这个谜团，一项发表在《Bioactive Materials》上的研究，由柏林健康研究所（Berlin Institute of Health at Charité – Universit?tsmedizin Berlin）的Aaron Herrera等研究人员领导，进行了一系列精巧的实验。他们发现，细胞在面对弯曲表面时，会展现出两种截然不同的“生存策略”：一种是“跨越先锋”模式，细胞身体的一部分会脱离曲面，像桥梁一样横跨凹陷区域；另一种是“贴壁生长”模式，细胞通过重新排列内部骨架来避免高曲率区域。决定细胞选择哪种策略的关键，并非细胞的收缩力大小，而是其“锚点”——粘着斑（Focal Adhesions, FAs）在细胞周边的分布模式。这一发现不仅揭示了细胞机械传感的新机制，更重要的是，它将微观的细胞行为与宏观的组织生长动力学直接联系起来，为设计能够控制组织修复进程的生物材料结构提供了根本性的指导。
研究者们主要运用了几项关键技术来探究这一复杂过程。首先是精密微加工与“糖果模具”法，用于制造表面极其光滑、曲率精确可控的微几何芯片（GeoChips）和完整圆柱形通道，排除了表面粗糙度的干扰。其次是先进的活细胞与固定样本三维成像技术，包括共聚焦显微镜和延时摄影，以动态和静态方式观察细胞在曲面上的形态、骨架取向和组织生长过程。再者是细胞力学与粘附分析技术，如牵引力显微镜（Traction Force Microscopy, TFM）量化细胞力，以及针对F-肌动蛋白（F-actin）和粘着斑蛋白（如 vinculin）的免疫荧光染色，来表征细胞骨架和粘附结构。此外，研究还使用了胶原蛋白支架工程，通过引入不同直径的丝状模板并随后移除，在软质三维支架中创建了直径可控的通道，以模拟更接近生理的细胞迁移和组织长入环境。最后，通过药理学方法（如使用RhoA激活剂CN03、ROCK抑制剂Y27632等）和改变基质刚度，系统性地调控了细胞的收缩力状态，以验证其与曲率响应之间的关系。所有使用的原代人间充质基质细胞（hMSCs）和成骨细胞（hOBs）均来源于机构生物库（同一供体），并经过了严格的质量控制。
研究结果揭示了细胞对曲率响应的类型特异性及其机制：
2.1. 表征细胞类型特异性对曲率的响应
研究人员首先在具有不同直径（100-1000 μm）的凹面圆柱形GeoChips上，测试了五种细胞类型。他们发现，随着曲率增加（直径减小），成纤维细胞、间充质基质细胞和成骨细胞等间质细胞，其细胞骨架应力纤维的取向会发生复杂变化，显示出对曲率的敏感响应。相比之下，内皮细胞在低曲率下响应微弱，而前成骨细胞（MC3T3-E1）在高曲率下表现出极强的取向回避行为。这表明，不同功能的细胞对相同的几何环境有不同的“感受”。
2.2. 细胞类型间在形态、粘着斑分布和细胞力方面的差异
深入分析发现，在高曲率（小直径）表面上，成纤维细胞经常表现出“跨越”行为，即细胞体部分离开基底，横跨在凹陷区域上方。这种跨越行为在成纤维细胞中最为显著，而在前成骨细胞和内皮细胞中则非常罕见。进一步在平面基底上分析发现，成纤维细胞的粘着斑主要聚集在细胞体的远端，形成“两极”分布，细胞细长；而前成骨细胞和内皮细胞的粘着斑则较为均匀地分布在细胞周边，细胞更圆。研究者引入了一个新参数——自由跨越距离（Free Spanning Distance, FSD），即细胞上粘着斑簇之间的最大平均距离。成纤维细胞的FSD最大。牵引力测量显示，前成骨细胞产生的总细胞力最大，表明跨越倾向是由粘着斑的分布模式控制，而非细胞的张力状态本身。
2.3. 自由跨越距离（FSD）控制细胞对凹面的响应
通过药理学调控细胞收缩力（增加或减少）、抑制粘着斑激酶以及诱导细胞衰老，研究者发现，细胞长度和圆度等经典形态参数无法预测其跨越概率，而FSD则与细胞在凹面上发生跨越的概率高度相关。降低细胞力（如使用Y27632或软基底）会增加FSD和跨越概率，反之亦然。有限元模型模拟进一步证实，具有大FSD的细胞模型在高曲率下会发生明显的脱离基底（跨越），而小FSD的模型则保持贴附。
2.4. 细胞跨越关键性地控制通道状孔隙中的组织生长
在均质接种细胞的圆柱形PDMS通道（直径250 μm）中，延时成像显示，具有高跨越能力的成纤维细胞在12小时内就开始跨越通道连接对侧，迅速启动通道闭合，随后组织重新排列对齐。相反，前成骨细胞遵循缓慢的层层沉积过程，通道闭合显著延迟。内皮细胞则仅附着在通道壁上，不形成组织填充。这表明细胞的跨越能力直接转化为快速的组织间隙闭合机制。
2.5. 细胞依赖性曲率响应影响组织长入生物材料孔隙
在更接近真实生物材料的、带有预设通道的软胶原蛋白支架中，研究者观察了细胞从一侧迁移进入通道的过程。在较大直径（约600 μm）通道中，成纤维细胞以层层沉积方式生长，形成特征性的弯月面状组织前沿。在中等直径（约350 μm）通道中，开始出现由跨越细胞形成的、排列松散的组织区域。在最小直径（约150 μm）通道中，则主要由跨越细胞形成的各向同性细胞网络占据，该网络为后续的组织致密化和成熟提供了支架。相比之下，前成骨细胞在所有直径通道中均主要显示层层沉积模式，组织长入深度有限；内皮细胞则仅衬于通道表面。
研究结论与讨论强调了其重要科学与应用意义：
本研究系统揭示了细胞对曲率的响应具有强烈的细胞类型依赖性，其根本机制在于粘着斑的空间分布模式。具有大FSD的细胞（如成纤维细胞、MSCs）能够通过“跨越”机制快速桥接微缺陷，实现快速修复和组织网络重构；而具有均匀粘着斑分布的细胞（如前成骨细胞）则通过骨架重排来适应曲率，导致缓慢的层层组织沉积。这两种机制分别类比于发育中的快速愈合过程和经典的伤口愈合模式。
研究的意义是多层面的。在基础科学层面，它首次将粘着斑分布这一在二维培养中常被忽视的特征，与三维空间中的细胞组织化和组织生长动力学明确联系起来，深化了对细胞机械传感和力学生物学的理解。特别是，研究提示在细胞群体中可能存在一个具有高FSD和强迁移能力的“先锋细胞”亚群，在微缺陷修复中扮演关键角色。
在应用层面，这项工作为生物材料的设计提供了强有力的原理指导。通过精确控制孔隙的几何形状（特别是直径/曲率），可以“指令”特定的细胞类型（如促进修复的间质细胞）采取跨越模式，实现快速的孔隙填充和组织整合；同时，也可以设计不同的几何区域来容纳和引导其他细胞类型（如需要保持管腔开放的内皮细胞）。这种基于几何的、细胞类型特异性的控制策略，为实现更高效、更功能化的组织原位再生开辟了新途径。例如，将大块组织缺损分解为许多允许细胞跨越的介观尺度通道，已被证明能有效促进骨再生并防止疤痕样组织形成。未来的生物材料设计可以融合几何异质性，从而在空间上精准调控不同细胞群体的行为，推动组织工程向更先进的方向发展。
