液晶彈性體控制單層成纖維細胞的拓撲結構

真核細胞在活組織中以空間變化的取向順序形成動態圖案,從而影響重要的生理過程,例如凋亡和細胞遷移。現今面臨的挑戰是如何在生長的組織上賦予預先設計的取向順序圖案。由細胞彼此緊密接觸形成的活組織,常因不等軸細胞的相互排列而表現出取向順序。由導向子所表示的平均取向的方向在時間和空間上變化,所產生的拓撲缺陷稱為位錯。這些缺陷在組織內移動,並在壓縮-舒張應力和諸如提取死細胞的過程中起重要作用。在生物醫學以及操縱活性物質領域,設計用於具有取向順序的活細胞的組織支架並控制缺陷的拓撲類型和動力學的方法十分重要。

《Science》子刊:液晶彈性體控制單層成纖維細胞的拓撲結構

近日,肯特州立大學的Oleg D. Lavrentovich教授團隊在《Science Advances》上介紹瞭一種使用光取向液晶彈性體(LCE)在水性介質中各向異性膨脹,以產生具有預先設計的定向圖案和拓撲缺陷的人類皮膚成纖維單層細胞的方法。刻在LCE上的圖案被組織單層復制,並引起細胞表型的強烈空間變化,以及表面密度和數量密度的波動。各向異性表面錨固抑制瞭活性物質固有的缺陷對的解鏈動力學,從而可以估計組織的彈性特征。這種圖案化LCE方法具有控制活組織中細胞的集體行為,細胞分化和組織形態發生的潛力。

作者在聚合之前將LCE前體的分子取向通過等離激元光致取向來圖案化。然後通過前驅物的紫外(UV)光聚合固定納米級分子順序。最後將細胞的水分散體沉積到LCE基底上。水中溶脹會產生LCE各向異性的非平坦形貌,該形貌將引導伸長的人類皮膚成纖維細胞(HDF)接觸基底後取向。接種和細胞分裂的共同作用產生瞭融合的組織,HDF細胞排列模式遵循LCE導向子的預先設計圖案。順序參數SHDF的結果表明,取向順序主要是由每個細胞與LCE基底的直接相互作用引起的。

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圖1. HDF細胞在LCE上的均勻排列,為常量。(A)與水性生長介質接觸後,LCE表面的數字全息顯微鏡(DHM)紋理。(B)在接種後120小時在LCE底物上生長的HDF細胞的相差顯微鏡(PCM)質地。(C)單元體(實心紅色符號)和單元密度σ(空藍色符號)的順序參數SHDF的演變。(D)LCE上的HDF細胞的熒光顯微紋理;熒光標記的核(藍色)和細胞骨架F-肌動蛋白(綠色)。(E)核取向的分佈。(F)核的順序參數S依賴於方形子窗口的大小。(G)數量密度波動ΔN與細胞核平均數目的關系。

晶粒沿《Science》子刊:液晶彈性體控制單層成纖維細胞的拓撲結構的伸長是由LCE彈性的各向異性引起的,並且當《Science》子刊:液晶彈性體控制單層成纖維細胞的拓撲結構在空間變化時依然存留。即使非常靠近(~10μm)梯度發散的拓撲缺陷核心,晶粒依然可以沿《Science》子刊:液晶彈性體控制單層成纖維細胞的拓撲結構空間變化而伸長。這一功能將LCE基底的取向能力擴展到空間變化的圖案。HDF細胞可以遵循預設的導向子《Science》子刊:液晶彈性體控制單層成纖維細胞的拓撲結構(r)自組織成具有取向的組裝。由+1/2和-1/2位錯的存在證明,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胞的拓撲結構=-《Science》子刊:液晶彈性體控制單層成纖維細胞的拓撲結構。這些位錯的核心與LCE中位錯的核心共定位。在“濕”活性向列相與動量守恒中,由於+1/2缺陷的高移動性,+1/2和-1/2缺陷對趨向於解除綁定。

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圖2. LCE上具有(-1/2,+1/2)缺陷對的HDF細胞的圖案化取向。(一)紋理顯示LCE與細胞生長培養基接觸時的和光阻。(B和C)與具有(B)-1/2和(C)+1/2缺陷的細胞生長培養基接觸的LCE表面的DHM紋理。(D)熒光染色的HDF細胞。(E)細胞核σ的表面密度與+1/2(藍色)和-1/2(紅色)缺陷核之間的距離r的關系。(F)在缺陷核附近細胞核的巨大的數量密度波動ΔN。(G)播種後240小時,LCE基底上HDF細胞的PCM圖像。(H)顏色編碼取向場的PCM圖像和(I)圖案化HDF組織導向子的相應示意圖。(J)水平和垂直導向子半強度缺陷之間的間隔。

HDF細胞取向遵循純展開或彎曲的整數+1缺陷的LCE圖案化導向子。局部細胞密度在+1核附近增加。在距核20μm的距離處,放射狀+1缺陷的細胞表面密度為σ≈0.5×108m-2,比遠離核(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胞能力:σ≈1.5×108m-2。相反,-1缺陷HDF細胞密度比+1缺陷低三倍,σ≈0.5×108m-2,其比遠離缺陷核的密度低25%到30%。LCE基質對HDF細胞的大小和形狀有顯著影響。因為細胞相互接觸,σ在不同LCE圖案處具有強烈變化,轉化為細胞的大小和形狀差異。在+1缺陷附近HDF近似為橢圓形,而-1缺陷附近的細胞則更長。

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圖3. 預先設計的LCE上的HDF細胞的圖案化取向,帶有一對-1和放射狀+1(擴展型)缺陷。(A)LCE與細胞生長培養基接觸時的圖案。(B)熒光標記的HDF細胞。(C)細胞核的表面密度σ與缺陷核距離的關系。(d)巨大的數目密度波動ΔN與平均細胞核數量< N >顯示接近-1核處比+1核具有更大的斜率。(E)在細胞接種後240小時,LCE層上的HDF細胞的PCM紋理。(F)顏色編碼的取向場和(G)圖案化HDF組織導向子的示意圖。(H)+1放射狀核附近兩個+1/2缺陷之間的間隔隨時間的變化。

作者證明瞭具有空間變化分子取向的光圖案結構LCE基底可用於生長具有預先設計的細胞排列方式的生物組織。未來可以通過對LCE進行化學功能化,制造具有環境響應動態形貌的LCE基底,進一步開發所提出的技術,對組織發育和再生的基本機理有更深入的瞭解

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