肌母细胞舞蹈编排对齐

《ACS Nano》：Myoblast Choreographic Alignment

肌细胞排列机制研究：发现纵向FAJ通过肌动蛋白收缩促进协同运动，横向LAJ在高密度时稳定排列。基质硬度影响细胞形态和排列，为组织再生提供新见解。

　　细胞的集体运动和排列在许多生理过程中扮演着至关重要的角色，例如肌肉再生和组织工程。尽管这些过程对生物体的正常功能至关重要，但关于其背后的机制仍然知之甚少。本研究聚焦于C2C12成肌细胞的集体运动和排列行为，通过不同的细胞密度和基质刚度条件，揭示了细胞排列的动态过程及其调控机制。研究发现，与传统观点认为C2C12细胞具有较弱的细胞间粘附力导致无序运动不同，这些细胞表现出各向异性粘附特性。具体而言，细胞通过纳米级的纵向粘附连接（FAJs）表现出较强的粘附力，而横向连接（LAJs）则显示出较弱的粘附性。这两种分子连接的相互作用促进了自发排列，甚至在细胞完全接触后仍能维持排列状态，从而促进形成多核的肌管。此外，研究还表明，较软的基质会降低C2C12细胞的排列程度，强调了细胞外环境在调控细胞行为中的重要作用。这些发现不仅深化了我们对收缩性细胞行为的理解，也为肌肉再生、组织工程和细胞生物力学领域的研究提供了重要的理论支持和实践指导。

在细胞生物学领域，集体运动是一个引人入胜的现象，从鸟类飞行时的有序队形到鱼类的同步游动，都展示了长程协调和有序性的产生。在微观层面，理解迁移细胞如何集体运动具有重要意义，因为这种协调行为在生物过程中起着关键作用，如伤口愈合、癌症转移和胚胎发育。近年来，研究者们发现了一些外部微环境因素，这些因素驱动了细胞的有序运动。例如，细胞沿着细胞外基质（ECM）边界迁移、向更坚硬的区域迁移以及在负曲率的ECM区域形成肌动蛋白“ purse-string”结构等。在这些过程中，细胞能够放大其运动行为，因为集体运动不仅仅是单个细胞行为的简单叠加，还受到细胞与基质以及细胞间相互作用的调控，通常在纳米尺度上通过反馈机制实现。

集体运动可以通过空间相关长度来表征，包括方向和速度，有时也可以通过细胞的向列序参量（nematic order parameter）来描述。这些集体运动在不同细胞类型中表现出显著差异。例如，扩展性细胞如上皮细胞的集体运动机制已被广泛研究，其中上皮细胞片的边界扩展是由领导细胞的伸出和细胞间肌动蛋白电缆的收缩共同协调完成的。在上皮细胞的集体运动中，如MDCK细胞，它们通过强细胞间粘附实现爬行运动，从而表现出高速度相关性，迁移时形成一种“巨细胞”效应。相比之下，收缩性细胞如成肌细胞的集体运动机制仍然较为模糊。人们普遍认为，在间质细胞（如成肌细胞和成纤维细胞）中，细胞间粘附较弱，导致低速度相关性的无序运动。然而，纺锤形细胞却能够在有限的空间范围内表现出自发的向列序，这表明它们的排列机制可能涉及更复杂的细胞间相互作用。

研究细胞自发排列的机制对于理解多核融合的形成至关重要，例如肌管的形成，这对于肌肉组织工程具有重要意义。尽管已有研究通过拓扑结构和ECM几何形状来引导成肌细胞的排列，但由此形成的肌管并不如那些自发排列的肌管那样坚固。因此，研究成肌细胞的自然排列机制可以为组织工程和肌肉再生的进一步发展提供重要参考。在本研究中，我们通过将C2C12成肌细胞种植在均匀的纤连蛋白涂层基质上，并跟踪细胞方向随时间的变化，来探讨其自发排列的机制。实验发现，初始随机分布的细胞表现出极低的方向相关性，导致近零的细胞向列序。随着细胞增殖，子细胞倾向于继承母细胞的方向，从而在细胞群体中形成中等程度的向列序，如图1中所示。当细胞达到汇合状态后，它们逐渐与相邻细胞对齐，使向列序进一步增强。最终，细胞通过内源性协调，即使没有外部方向线索，也形成了较高的向列序，如图1中所示。

本研究揭示了C2C12细胞在细胞密度变化和基质刚度变化下的排列行为。首先，我们探讨了细胞密度对细胞排列动态的影响。通过随机种植C2C12细胞并监测其方向随时间的变化，我们发现随着细胞密度的增加，细胞向列序显著增强。这一现象表明，细胞密度的增加可能促进了细胞之间的相互作用，从而增强了排列行为。然而，当我们使用一种抑制细胞增殖的药物——丝裂霉素C（MMC）来限制细胞生长时，尽管细胞增殖被抑制，细胞仍然表现出增强的排列行为，这表明细胞排列的机制可能不仅仅依赖于细胞增殖，而是存在其他因素。此外，我们还研究了细胞间粘附对细胞排列的影响，特别是纳米级的粘附连接（AJs）。这些连接在细胞间的连接和稳定中起着关键作用。通过使用N-钙粘蛋白抗体来阻断AJs，我们发现细胞排列行为显著减弱，表明AJs在细胞排列过程中具有重要作用。

我们还进一步探讨了细胞与基质之间的相互作用，特别是基质刚度对细胞行为的影响。实验发现，较硬的基质能够诱导更好的方向相关性，这是通过改变细胞骨架活动实现的。具体而言，细胞在硬基质上表现出更有序的排列，而在软基质上则表现出更弱的排列能力。这一发现强调了基质刚度在细胞排列动态中的重要性。通过改变PDMS基质的刚度，我们发现细胞在不同刚度下的行为存在显著差异。在硬基质上，细胞形成较为均匀的单层，表现出高向列序；而在软基质上，细胞单层中出现孔洞，导致细胞间方向相关性的降低。这些结果表明，基质刚度不仅影响细胞形态和细胞骨架活动，还通过调控细胞间粘附和细胞排列机制，对细胞行为产生深远影响。

综上所述，本研究通过实验和分析，揭示了C2C12细胞从无序到有序的转变过程，其中细胞间和细胞外的相互作用通过肌动蛋白收缩协同作用。这些发现对于组织修复、伤口愈合和胚胎发育等领域的研究具有重要意义，因为精确的细胞排列是这些过程中的关键因素。本研究不仅深化了我们对成肌细胞排列机制的理解，还为细胞生物力学和组织工程提供了新的视角和方法。通过揭示细胞间粘附和细胞与基质相互作用在调控细胞行为中的作用，本研究为未来在生物材料设计和细胞环境调控方面的研究提供了理论基础。这些成果有望推动肌肉再生和组织工程领域的技术进步，为生物医学研究带来新的可能性。