基质刚度增加破坏衰老细胞核-细胞骨架机械耦合的机制研究

《Materials Today Bio》：Increased substrate stiffness disrupts nuclear-cytoskeletal mechanical coupling in senescent cells

本研究针对衰老细胞如何响应微环境机械信号这一关键问题，通过调控基质刚度探究了衰老成纤维细胞的机械适应性。研究人员发现，在高刚度基质上，衰老细胞出现核-细胞骨架机械解耦，伴随核软化、黏着斑成熟异常和YAP核定位改变。该研究揭示了衰老细胞在病理高刚度环境中机械信号整合能力的根本局限，为理解衰老相关疾病提供了新视角。

　　

随着人口老龄化加剧，理解细胞衰老的生物学机制变得愈发重要。细胞衰老是机体衰老和许多年龄相关疾病的标志性特征，这些细胞虽然停止分裂，却仍然活跃地影响周围环境。特别有趣的是，衰老细胞会分泌一系列炎性因子和基质重塑酶，这种特征被称为衰老相关分泌表型（SASP），能够改变细胞外基质（ECM）的组成和力学性质。然而，尽管我们知道衰老会改变细胞的力学特性，但衰老细胞如何感知和响应微环境机械信号仍是一个悬而未解的问题。

在健康细胞中，细胞骨架与细胞核之间的物理连接是机械信号传递的关键。当细胞感知到基质刚度变化时，会通过整合素介导的黏着斑（FA）将信号传递至肌动蛋白细胞骨架，再通过连接核骨架和细胞骨架（LINC）复合物将力学信号传递至细胞核，从而调控基因表达和细胞功能。这一精密的机械转导系统使细胞能够适应不同的力学环境。

那么，衰老细胞是否还保留这种机械适应能力呢？衰老细胞的核纤层蛋白常常发生改变，Lamin B1丢失和Lamin A/C突变是衰老细胞的典型特征，这些变化会损害核膜稳定性。同时，LINC复合物的改变也与衰老相关。这些核周结构的改变是否会影响衰老细胞对机械信号的响应能力？为了回答这个问题，来自德国柏林健康研究所Charité医学院Julius Wolff研究所的研究团队在《Materials Today Bio》上发表了他们的最新研究成果。

研究人员采用了三种独立的方法诱导人真皮成纤维细胞（hdFs）衰老：p16过表达诱导的细胞周期阻滞、复制性衰老和丝裂霉素C（MMC）诱导的DNA损伤衰老。通过细胞增殖实验、β-半乳糖苷酶活性检测和蛋白免疫印迹验证了衰老模型的有效性。

研究团队使用不同刚度的聚丙烯酰胺水凝胶（1.7 kPa和48.3 kPa）以及刚性组织培养塑料（TCP，~1 GPa）作为细胞培养基质，模拟从软组织修复到成熟组织的刚度范围。通过免疫荧光染色、原子力显微镜（AFM）、共聚焦显微镜等技术系统分析了细胞形态、细胞骨架组织、黏着斑特征、核力学性质以及机械敏感转录共激活因子YAP的定位。

验证人真皮成纤维细胞的不同衰老形式

研究人员建立了三种独立的衰老模型：p16介导的细胞周期阻滞、复制性衰老（RS）和DNA损伤介导的衰老（MMC）。所有衰老模型均显示增殖减少、衰老标志物表达增加，成功模拟了衰老的关键特征。

改变的刚度介导机械适应驱动衰老细胞特异性形态

随着基质刚度增加，衰老细胞表现出比正常细胞更显著的形态变化。在软基质上，衰老细胞呈现纺锤形，类似于正常细胞；而在刚性TCP上，则变为薄饼状形态，表明衰老细胞的机械适应过程发生了改变。

高刚度基质破坏衰老细胞协调的肌动蛋白纤维排列

在软基质上，衰老细胞已形成高度排列的应力纤维，类似于正常细胞在刚性基质上的表现。而在刚性TCP上，衰老细胞的肌动蛋白排列被打乱，出现短而粗的应力纤维域，呈现各向异性分布。

衰老细胞表现出增强的刚度介导FA成熟和独特的FA空间分布

在刚性TCP上，衰老细胞的FA尺寸显著大于正常细胞，且FA空间分布更均匀，较少集中在细胞周边。这种异常的FA成熟表明衰老细胞在高刚度环境下黏附调控失常。

衰老相关的细胞骨架组织和FA改变是否与核力学变化相关？

衰老细胞核面积增大，核伸长形状保持，而正常细胞核随刚度增加变得更圆。核纤层蛋白A（LMNA）信号随刚度增加而增强，但衰老细胞核膜异常（内陷、突起和皱褶）比例显著增高。SUN2蛋白水平在衰老细胞中降低，提示核-细胞骨架耦合减弱。原子力显微镜测量显示，在TCP上衰老细胞核刚度显著降低（降低2.70倍）。

高刚度基质引发衰老细胞核-细胞骨架机械耦合的根本性改变

最引人注目的发现是：随着刚度增加，衰老细胞核高度先降低后增加，在刚性TCP上反而增高，表明核-细胞骨架机械耦合被破坏。衰老细胞在刚性TCP上核周肌动蛋白帽形成减少，基底核周肌动蛋白纤维积累。YAP的核/质比在衰老细胞中呈现刚度依赖性变化，在TCP上核定位减少，提示机械转导信号改变。

研究表明，衰老细胞在高刚度环境下经历渐进性肌动蛋白介导的核变形和扁平化，直至达到机械阈值，引发核与细胞骨架解耦。这种机械解耦伴随细胞骨架组织丧失、异常FA成熟和核软化。研究人员提出，衰老细胞在软基质上仍能维持核-细胞骨架机械耦合，但在高刚度环境下，过度的核压缩超出耐受阈值，导致保护性解耦。

这项研究的重要意义在于揭示了衰老细胞机械适应能力的根本性生物物理限制。在高刚度环境中——通常与组织成熟和病理性瘢痕相关——衰老细胞无法正确整合机械信号，这可能导致核机械转导改变，影响其在生理和病理环境中的特定功能。研究结果提示，在刚性培养条件下观察到的衰老表型可能被高估，而理解衰老细胞在不同力学环境中的行为对于开发针对年龄相关疾病的治疗策略至关重要。未来研究需要确定核解耦发生的精确刚度阈值，并探索这一机制在更生理相关的3D环境中的表现。