微地形调控细胞核变形通过分泌组通路促进骨再生

时间：2025年7月13日

来源：Nature Communications

编辑推荐：

这篇开创性研究揭示了微地形工程支架通过诱导间充质基质细胞（MSCs）核形态变形，显著调控其分泌组（secretome），从而增强骨再生机制。研究采用甲丙烯酸化聚柠檬酸辛二醇酯/羟基磷灰石（mPOC/HA）复合微柱（micropillars）结构，通过体外和小鼠颅骨缺损模型证实：核变形细胞分泌的胞外基质（ECM）组织相关蛋白（如Col1a2）通过旁分泌效应促进周围细胞成骨分化（osteogenic differentiation），并显著提升新骨体积（p<0.0001）。该成果为骨再生植入物设计提供了细胞力学-分泌组调控新范式。

Introduction

细胞核形态是调控基因表达和细胞功能的关键因素，其异常变化与癌症、加速衰老及神经肌肉疾病相关。传统研究聚焦于核形态直接影响细胞命运，但其对分泌组（secretome）及周围细胞的调控机制尚不明确。本研究通过微地形工程（microtopography engineering）——具体采用5×5×8 μm³微柱结构——操纵核形态，探究其对骨再生的作用机制。微柱结构可通过原子力显微镜（AFM）、微流控装置等技术实现，而甲丙烯酸化聚柠檬酸辛二醇酯（mPOC）因其柠檬酸组分增强成骨作用，结合羟基磷灰石（HA）的骨仿生特性，成为理想植入材料。

Results

Influence of micropillar structures on physical and chemical properties of mPOC/HA implants

mPOC预聚物经¹H NMR验证合成成功，HA纳米颗粒（~100 nm）通过动态光散射（DLS）表征。采用紫外光刻和接触印刷法制备mPOC/HA平面对照组与微柱支架（图1a）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示两组材料官能团一致，原子力显微镜（AFM）证实表面粗糙度无显著差异（图1e, f）。微柱支架加速降解实验中钙释放略高但无统计显著性（图1g, h），力学测试表明平面样品杨氏模量（0.95±0.12 GPa）显著高于微柱（0.48±0.02 GPa），但超出细胞感知阈值，不影响核形态操纵。

Nuclear deformation facilitates osteogenic differentiation of hMSCs

人源间充质基质细胞（hMSCs）在微柱上培养3天后，核形指数（NSI）显著降低（p<0.0001），共聚焦三维重建显示核体积、表面积及投影面积减小，核高度增加（图2a-d）。扫描电镜（SEM）揭示细胞在微柱顶部、侧边及底部形成收缩纤维（图2f）。微柱虽降低细胞代谢活性（MTT检测，p<0.0001），但不影响增殖（DNA含量检测）。关键成骨标志物碱性磷酸酶（ALP）活性、骨钙素（OCN）及RUNX2在微柱组显著上调（Western blot，p<0.0001），证实核变形促进成骨分化（图2j-n）。

Micropillars modulate the secretome of hMSCs that regulate extracellular matrix formation

分泌组蛋白质组学分析（LC-HRMS/MS）显示，微柱组差异表达蛋白（DEP）主要富集于胞外基质（ECM）组织与胶原纤维交联通路（图3c-e）。Reactome通路分析进一步验证ECM蛋白酶聚糖、胶原交联等过程上调（图3g）。跨孔实验（transwell）中，微柱处理的hMSCs通过旁分泌显著提升对侧细胞ALP活性（p<0.01）、钙沉积（Alizarin Red S染色，p<0.05）及胶原网络密度（图4b-g），证实分泌组通过matricrine效应调控ECM。

mPOC/HA micropillar implant promotes bone formation in vivo

在裸鼠颅骨临界尺寸缺损模型中，植入hMSCs接种的微柱支架12周后，微计算机断层扫描（μCT）显示新骨体积显著高于平面组（p<0.001，图5c, d）。组织学分析（三色染色）证实微柱组类骨组织增多且厚度增加（p<0.05，图5e, f），免疫组化显示骨桥蛋白（OPN）和骨钙素（OCN）表达增强。巨噬细胞标志物（F4/80、CD86/CD163）染色显示M1/M2比率无显著变化。