四川大学肖芸等合作发现胶原水凝胶粘弹性以ROCK依赖性方式调节MSC软骨生成

三维（3D）培养中的间充质干细胞（MSC）软骨形成涉及形态发生前间充质凝聚期间细胞骨架结构的动态变化。然而，基质的动态力学特性与软骨形成过程中细胞骨架变化之间的联系机制尚不清楚。

2023年2月10日，四川大学肖芸作为通讯作者在Science Advances 发表题为“Collagen hydrogel viscoelasticity regulates MSC chondrogenesis in a ROCK-dependent manner”的研究论文，研究了粘弹性（胶原水凝胶的一种随时间变化的机械特性）如何协调软骨形成不同阶段的MSC细胞骨架变化。通过控制胶凝过程来调节胶原水凝胶的粘弹性，而无需化学交联。

在较慢松弛的水凝胶中，尽管无序的皮质肌动蛋白促进了早期软骨分化，但持续的肌球蛋白过度激活导致Rho相关激酶（ROCK）依赖性细胞凋亡。同时，快速松弛的水凝胶促进了细胞-基质相互作用，并最终促进了长期软骨形成，减轻了肌球蛋白过度激活和细胞凋亡，类似于ROCK抑制剂的作用。总之，该研究不仅揭示了基质粘弹性如何以ROCK依赖性方式协调MSC软骨生成和存活，而且还强调了粘弹性作为用于软骨3D培养的生物材料的设计参数。

间充质干细胞（MSCs）因其易于获取和多谱系分化潜力而通常用于组织工程和再生医学。与成骨和脂肪生成的直接细胞扩增不同，MSC软骨形成经历间充质凝聚，其中细胞表现出广泛的收缩并建立N-钙粘蛋白介导的细胞-细胞粘附，从而启动软骨分化。收缩是MSC软骨生成的先决条件，与2D基质相比，在三维(3D)允许基质中得到更好的支持。另一方面，在2D单层培养中，软骨细胞谱系细胞表现出快速的表型漂移，在3D培养恢复后可以重新分化。因此，3D培养被认为是体外MSC软骨生成的常用方法。

当MSCs从单层分离时，它们就脱离了底物和细胞接触的约束，导致肌动球蛋白快速收缩和细胞骨架重排。细胞形态的动态变化由Rho相关激酶（ROCK）依赖性肌动球蛋白收缩驱动，并调节MSC如何整合来自微环境的机械和分子信息。细胞骨架结构的调节对于MSC谱系的转变至关重要，并且ROCK途径在MSC对脂肪细胞，成骨细胞或肌源性命运的转变中显示出关键的调节作用。MSC软骨形成规格和形态发生受到动态细胞骨架变化的精确调节，它们不可避免地与周围微环境有关。

在天然软骨发育过程中，细胞外基质（ECM）随着软骨形成的进展而经历实质性的重塑。天然软骨分化在透明质酸酶降解后开始，富含I型胶原蛋白的ECM进一步促进间充质凝结。在之前的研究中，I型胶原水凝胶能够在没有可溶性生长因子的情况下诱导MSC并在软骨缺损再生中具有转译潜力。作为细胞培养和组织工程中应用最广泛的天然原纤维水凝胶之一，胶原蛋白水凝胶表现出独特的粘弹性行为，这是一种随时间变化的机械性能，最近被认为是细胞-基质动态相互作用的重要调节因子。然而，胶原水凝胶的这种动态特性如何在软骨生成谱系转变和形态发生过程中促进MSC的细胞骨架重排仍然难以捉摸。

胶原蛋白水凝胶的粘弹性通过肌动蛋白组织和通过调节基于ROCK依赖性肌动肌肉蛋白的收缩力介导MSC软骨分化和细胞存活（图源自Science Advances ）

该研究检测了胶原蛋白水凝胶粘弹性如何在软骨形成的不同阶段动态调节软骨分化。通过控制胶凝过程来调节胶原水凝胶的粘弹性，而不添加外部交联剂或改变胶原蛋白浓度。通过软骨特异性基因表达和基质沉积评估胶原粘弹性对MSC软骨生成的早期启动和长期的调节作用。对细胞骨架收缩进行药理学抑制，以确定胶原水凝胶粘弹性在ROCK依赖性细胞凋亡和软骨生成中的作用。因此，该研究揭示了基质粘弹性在MSC软骨生成过程中动态介导ROCK依赖性肌动肌素收缩和凋亡中的意想不到的作用，并为调整胶原水凝胶用于干细胞研究提供了重要参考。

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade9497

转自：“iNature”微信公众号

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