真核細(xì)胞在活組織中以空間變化的取向順序形成動(dòng)態(tài)圖案,從而影響重要的生理過(guò)程,例如凋亡和細(xì)胞遷移?,F(xiàn)今面臨的挑戰(zhàn)是如何在生長(zhǎng)的組織上賦予預(yù)先設(shè)計(jì)的取向順序圖案。由細(xì)胞彼此緊密接觸形成的活組織,常因不等軸細(xì)胞的相互排列而表現(xiàn)出取向順序。由導(dǎo)向子所表示的平均取向的方向在時(shí)間和空間上變化,所產(chǎn)生的拓?fù)淙毕莘Q(chēng)為位錯(cuò)。這些缺陷在組織內(nèi)移動(dòng),并在壓縮-舒張應(yīng)力和諸如提取死細(xì)胞的過(guò)程中起重要作用。在生物醫(yī)學(xué)以及操縱活性物質(zhì)領(lǐng)域,設(shè)計(jì)用于具有取向順序的活細(xì)胞的組織支架并控制缺陷的拓?fù)漕?lèi)型和動(dòng)力學(xué)的方法十分重要。

《Science》子刊:液晶彈性體控制單層成纖維細(xì)胞的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

近日,肯特州立大學(xué)的Oleg D. Lavrentovich教授團(tuán)隊(duì)在《Science Advances》上介紹了一種使用光取向液晶彈性體(LCE)在水性介質(zhì)中各向異性膨脹,以產(chǎn)生具有預(yù)先設(shè)計(jì)的定向圖案和拓?fù)淙毕莸娜祟?lèi)皮膚成纖維單層細(xì)胞的方法。刻在LCE上的圖案被組織單層復(fù)制,并引起細(xì)胞表型的強(qiáng)烈空間變化,以及表面密度和數(shù)量密度的波動(dòng)。各向異性表面錨固抑制了活性物質(zhì)固有的缺陷對(duì)的解鏈動(dòng)力學(xué),從而可以估計(jì)組織的彈性特征。這種圖案化LCE方法具有控制活組織中細(xì)胞的集體行為,細(xì)胞分化和組織形態(tài)發(fā)生的潛力。

作者在聚合之前將LCE前體的分子取向通過(guò)等離激元光致取向來(lái)圖案化。然后通過(guò)前驅(qū)物的紫外(UV)光聚合固定納米級(jí)分子順序。最后將細(xì)胞的水分散體沉積到LCE基底上。水中溶脹會(huì)產(chǎn)生LCE各向異性的非平坦形貌,該形貌將引導(dǎo)伸長(zhǎng)的人類(lèi)皮膚成纖維細(xì)胞(HDF)接觸基底后取向。接種和細(xì)胞分裂的共同作用產(chǎn)生了融合的組織,HDF細(xì)胞排列模式遵循LCE導(dǎo)向子的預(yù)先設(shè)計(jì)圖案。順序參數(shù)SHDF的結(jié)果表明,取向順序主要是由每個(gè)細(xì)胞與LCE基底的直接相互作用引起的。

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圖1. HDF細(xì)胞在LCE上的均勻排列,為常量。(A)與水性生長(zhǎng)介質(zhì)接觸后,LCE表面的數(shù)字全息顯微鏡(DHM)紋理。(B)在接種后120小時(shí)在LCE底物上生長(zhǎng)的HDF細(xì)胞的相差顯微鏡(PCM)質(zhì)地。(C)單元體(實(shí)心紅色符號(hào))和單元密度σ(空藍(lán)色符號(hào))的順序參數(shù)SHDF的演變。(D)LCE上的HDF細(xì)胞的熒光顯微紋理;熒光標(biāo)記的核(藍(lán)色)和細(xì)胞骨架F-肌動(dòng)蛋白(綠色)。(E)核取向的分布。(F)核的順序參數(shù)S依賴于方形子窗口的大小。(G)數(shù)量密度波動(dòng)ΔN與細(xì)胞核平均數(shù)目的關(guān)系。

晶粒沿《Science》子刊:液晶彈性體控制單層成纖維細(xì)胞的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的伸長(zhǎng)是由LCE彈性的各向異性引起的,并且當(dāng)《Science》子刊:液晶彈性體控制單層成纖維細(xì)胞的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在空間變化時(shí)依然存留。即使非??拷▇10μm)梯度發(fā)散的拓?fù)淙毕莺诵?,晶粒依然可以?noscript>《Science》子刊:液晶彈性體控制單層成纖維細(xì)胞的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)《Science》子刊:液晶彈性體控制單層成纖維細(xì)胞的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)空間變化而伸長(zhǎng)。這一功能將LCE基底的取向能力擴(kuò)展到空間變化的圖案。HDF細(xì)胞可以遵循預(yù)設(shè)的導(dǎo)向子《Science》子刊:液晶彈性體控制單層成纖維細(xì)胞的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(r)自組織成具有取向的組裝。由+1/2和-1/2位錯(cuò)的存在證明,組裝的取向順序是非極性的,《Science》子刊:液晶彈性體控制單層成纖維細(xì)胞的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)=-《Science》子刊:液晶彈性體控制單層成纖維細(xì)胞的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些位錯(cuò)的核心與LCE中位錯(cuò)的核心共定位。在“濕”活性向列相與動(dòng)量守恒中,由于+1/2缺陷的高移動(dòng)性,+1/2和-1/2缺陷對(duì)趨向于解除綁定。

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圖2. LCE上具有(-1/2,+1/2)缺陷對(duì)的HDF細(xì)胞的圖案化取向。(一)紋理顯示LCE與細(xì)胞生長(zhǎng)培養(yǎng)基接觸時(shí)的和光阻。(B和C)與具有(B)-1/2和(C)+1/2缺陷的細(xì)胞生長(zhǎng)培養(yǎng)基接觸的LCE表面的DHM紋理。(D)熒光染色的HDF細(xì)胞。(E)細(xì)胞核σ的表面密度與+1/2(藍(lán)色)和-1/2(紅色)缺陷核之間的距離r的關(guān)系。(F)在缺陷核附近細(xì)胞核的巨大的數(shù)量密度波動(dòng)ΔN。(G)播種后240小時(shí),LCE基底上HDF細(xì)胞的PCM圖像。(H)顏色編碼取向場(chǎng)的PCM圖像和(I)圖案化HDF組織導(dǎo)向子的相應(yīng)示意圖。(J)水平和垂直導(dǎo)向子半強(qiáng)度缺陷之間的間隔。

 

HDF細(xì)胞取向遵循純展開(kāi)或彎曲的整數(shù)+1缺陷的LCE圖案化導(dǎo)向子。局部細(xì)胞密度在+1核附近增加。在距核20μm的距離處,放射狀+1缺陷的細(xì)胞表面密度為σ≈0.5×108m-2,比遠(yuǎn)離核(r = 300μm)的密度0.35×108m-2高1.5倍。圓形+1缺陷具有更高的聚集細(xì)胞能力:σ≈1.5×108m-2。相反,-1缺陷HDF細(xì)胞密度比+1缺陷低三倍,σ≈0.5×108m-2,其比遠(yuǎn)離缺陷核的密度低25%到30%。LCE基質(zhì)對(duì)HDF細(xì)胞的大小和形狀有顯著影響。因?yàn)榧?xì)胞相互接觸,σ在不同LCE圖案處具有強(qiáng)烈變化,轉(zhuǎn)化為細(xì)胞的大小和形狀差異。在+1缺陷附近HDF近似為橢圓形,而-1缺陷附近的細(xì)胞則更長(zhǎng)。

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圖3. 預(yù)先設(shè)計(jì)的LCE上的HDF細(xì)胞的圖案化取向,帶有一對(duì)-1和放射狀+1(擴(kuò)展型)缺陷。(A)LCE與細(xì)胞生長(zhǎng)培養(yǎng)基接觸時(shí)的圖案。(B)熒光標(biāo)記的HDF細(xì)胞。(C)細(xì)胞核的表面密度σ與缺陷核距離的關(guān)系。(d)巨大的數(shù)目密度波動(dòng)ΔN與平均細(xì)胞核數(shù)量< N >顯示接近-1核處比+1核具有更大的斜率。(E)在細(xì)胞接種后240小時(shí),LCE層上的HDF細(xì)胞的PCM紋理。(F)顏色編碼的取向場(chǎng)和(G)圖案化HDF組織導(dǎo)向子的示意圖。(H)+1放射狀核附近兩個(gè)+1/2缺陷之間的間隔隨時(shí)間的變化。

 

作者證明了具有空間變化分子取向的光圖案結(jié)構(gòu)LCE基底可用于生長(zhǎng)具有預(yù)先設(shè)計(jì)的細(xì)胞排列方式的生物組織。未來(lái)可以通過(guò)對(duì)LCE進(jìn)行化學(xué)功能化,制造具有環(huán)境響應(yīng)動(dòng)態(tài)形貌的LCE基底,進(jìn)一步開(kāi)發(fā)所提出的技術(shù),對(duì)組織發(fā)育和再生的基本機(jī)理有更深入的了解

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