上海科技大学郑宜君团队《自然·通讯》：三维水凝胶光控分子施力平台，揭示整合素亚型特异性调控的癌细胞迁移机制

摘要：细胞力学信号转导是生物力学领域的研究核心内容之一，许多疾病的发生发展都与力学信号转导过程的扰动有关。仿细胞外基质（ECM）合成生物材料可以提供力学信号可调控的细胞培养环境，有助于深入研究力学转导过程中的分子机制。现有力刺激方法存在两大技术瓶颈：1）绝大多数局限

细胞力学信号转导是生物力学领域的研究核心内容之一，许多疾病的发生发展都与力学信号转导过程的扰动有关。仿细胞外基质（ECM）合成生物材料可以提供力学信号可调控的细胞培养环境，有助于深入研究力学转导过程中的分子机制。现有力刺激方法存在两大技术瓶颈：1）绝大多数局限于二维培养环境，与体内三维微环境存在显著差异；2）缺乏受体亚型特异性，难以解析不同整合素亚型介导的力学信号转导异质性。这些限制严重阻碍了对细胞机械转导机制的深入理解。

针对这一问题，上海科技大学郑宜君教授课题组开发了一种三维光控分子施力平台，通过整合光热响应高分子，首次实现了在三维微环境中对癌细胞特定整合素亚型的力学精准调控。本文详细介绍了该研究的关键技术、实验结果及其对癌症转移机制的启示。研究发现，不同频率、幅值和持续时间的力学刺激对卵巢癌Hey细胞球的三维迁移模式具有显著影响，尤其在αvβ3和αvβ6整合素亚型间表现出截然不同的细胞响应。通过分子模拟进一步揭示了不同力学条件下的分子机制，为肿瘤转移干预和靶向治疗策略提供了新思路。

图1水凝胶平台的设计和施力机制

基于光热染料克酮酸菁（CD）和温敏聚合物PNIPAM，构建具有近红外响应性的CD-PNIPAM分子施力工具。在808 nm激光照射下，PNIPAM发生快速（毫秒级）相变塌缩，产生精确可控的pN级拉力。通过化学修饰在施力分子末端引入RGD或RTD多肽，实现对αvβ3和αvβ6整合素亚型的特异性识别和力学刺激。

图2分子施力工具功能化的水凝胶的制备，力学和光热性能

采用甲基丙烯酸酯化葡聚糖（DexMA）构建基质金属蛋白酶敏感的水凝胶，其力学性能（弹性模量0.5-20 kPa）和降解特性可精准匹配肿瘤微环境。

图3：力刺激对DexMA 3D 水凝胶中细胞迁移的影响

图4.通过调控不同条件对细胞施加力刺激

基于施力工具分子和对照分子，对卵巢癌细胞Hey进行分子水平力学刺激，发现在施力分子CD-PNIPAM-RGD作用下，细胞迁移显著增加，而对照分子无明显变化。通过对细胞力学信号转导的Integrin通路下游蛋白进行染色，发现经过力学刺激，3D细胞球中出现明显的纽蛋白Vinculin募集，和细胞表面受体蛋白Integrin β3共定位，形成类似黏着斑的蛋白质复合体。通过调节频率、光强、施力分子的分子量等，研究细胞对不同力刺激的响应，结果发现在较高力刺激频率和光强下细胞的迁移能力增加。施力分子分子量在15-25 kDa范围内可实现最优力传递效率，分子量过高会导致分子内耗散而降低力传导效率。

图5：HEY细胞在CD-PNIPAM-RGD和CD-PNIPAM-RTD配体的力刺激下下产生不同迁移模式

在αvβ3整合素上施加高频（>1 Hz）或高强度（>400 pN）拉力会诱导卵巢癌细胞发生间质-变形虫样迁移转换（MAT），表现为细胞圆化、E-cadherin表达下调和运动速度提升；而相同力学刺激对αvβ6整合素则主要增强细胞铺展和黏着斑形成。

图6：整合素-配体相互作用和力诱导解离动力学的计算分析

为研究出现上述现象的原因，研究人员使用分子对接和分子动力学手段研究整合素αvβ3、αvβ6分别和RGD、RTD配体的作用关系。通过分子对接发现αvβ6-RTD受体-配体对之间具有更强的氢键、盐桥等分子间相互作用。为进一步验证实验结果，研究人员基于分子对接得到的位置关系，通过拉伸分子动力学诱导配体受体解离，发现αvβ6-RTD受体-配体对的解离作用力强度约为650pN，远高于αvβ3-RGD受体-配体对的400pN，从计算角度佐证了较大的力刺激和较高的施力分子分子量更有可能使得受体-配体解离，从而产生迁移模式转变。

研究通过在水凝胶中引入光响应高分子施力分子，实现了对癌细胞整合素亚型的精准力学调控，揭示了不同力学参数下的细胞迁移模式及其分子机制。这一研究不仅加深了对力学信号在癌症转移中的作用理解，也为未来开发新型力学调控材料及靶向抗癌策略提供了理论基础和技术储备。

这项研究得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金等项目的支持。上海科技大学为本项成果的第一完成单位。上海科技大学物质学院2024级博士研究生李博涵和2022级硕士研究生付晴雨为共同第一作者。上海科技大学物质学院郑宜君教授为唯一通讯作者。