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为解决机械敏感离子通道（MSCs）在三维环境中缺乏远程调控策略的问题，研究人员开展了近红外（NIR）光控动态水凝胶调控 MSCs 的研究。结果显示，制备的 PIC/OEG-NPs 复合材料能有效调控 MSCs，增强人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的血管生成能力，为相关研究提供了新方向。
在细胞的微观世界里，机械力就像一位神秘的指挥官，操控着细胞的各种行为。细胞所处的细胞外基质（ECM），如同一个复杂的 “机械工厂”，不断为细胞提供机械信号，影响着细胞的迁移、分化等重要活动。机械敏感离子通道（MSCs）作为细胞机械转导系统的关键成员，能将机械刺激转化为细胞能识别的电信号或化学信号，在细胞的正常生理功能中发挥着举足轻重的作用，比如引导神经元的分支形成、促进伤口愈合等。
然而，目前科学家们在调控 MSCs 方面却面临着困境。现有的调控策略大多局限于二维系统，像流体剪切应力或机械拉伸等方法，无法满足在三维环境下精准调控 MSCs 的需求，这对于组织工程等领域的发展是一个巨大的阻碍。为了突破这一困境，探索更有效的调控 MSCs 的方法，研究人员开展了深入的研究。
研究人员制备了一种纤维水凝胶复合材料（PIC/OEG-NPs），它具有近红外（NIR）光控的动态机械性能。这种复合材料是通过将寡聚乙二醇（OEG）修饰的共轭聚合物纳米颗粒（OEG-NPs）与聚异氰化物（PIC）聚合物组装而成。OEG-NPs 以具有出色光热转换能力的共轭聚合物（CPs）为核心，经过纳米共沉淀法合成，再通过硫醇 - 马来酰亚胺反应在其表面修饰 OEG。当加热时，PIC 和 OEG-NPs 会通过 OEG 介导的疏水相互作用组装成 PIC/OEG-NPs 复合材料。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们使用应力控制流变仪来评估水凝胶的机械性能，通过监测储能模量（G′）等指标，探究水凝胶在不同条件下的力学变化。利用光热相机对 PIC/OEG-NPs 混合溶液进行温度追踪，以研究其光热性能。借助细胞计数试剂盒 - 8（CCK-8）检测细胞活力，通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察细胞内钙离子荧光变化、进行免疫荧光分析等，从多个角度对细胞的行为和特性进行研究。
下面来看看具体的研究结果。
1. PIC/OEG-NPs 复合材料的制备与表征
通过动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）测量发现，OEG-NPs 的平均直径约为 100nm，呈球形且分散良好。流变学分析表明，OEG 侧链促进了 PIC 和 OEG-NPs 的组装，增强了复合材料的机械性能。在近红外光照射下，PIC/OEG-NPs 复合材料的温度会随着照射时间和 OEG-NPs 浓度的增加而升高，且具有良好的光热稳定性，其光热转换效率可达 53.12%。同时，近红外光照射还能有效调节复合材料的机械性能，使其储能模量显著增加，并且复合材料的孔隙率在近红外光照射后减小，呈现出类似细胞外基质的非线性机械特性。
2. 动态调控转染的 HEK-293T 细胞中 Piezo1 和 HUVECs 中内源性 TRPV4 的活性
研究人员用不同刚度的水凝胶培养人脐静脉内皮细胞（HUVECs），发现较软的 PIC 水凝胶更有利于细胞增殖。通过 CCK-8 实验证明了 PIC/OEG-NPs 复合材料对 HEK-293T 细胞具有良好的生物相容性。转染 Piezo1 基因到 HEK-293T 细胞后，利用 Rhod 2-AM 探针监测细胞内 Ca2+浓度变化，结果显示在 PIC/OEG-NPs 复合材料且经过近红外光照射的组中，细胞内 Ca2+浓度明显升高，添加 Piezo1 特异性抑制剂 GsMTx4 后，Ca2+浓度下降，证实激活的离子通道是 Piezo1。以温度不敏感的透明质酸（HA）水凝胶为对照进行实验，发现只有 PIC/OEG-NPs 复合材料产生的机械张力才能有效激活离子通道。在 HUVECs 中，免疫荧光染色证实其高表达 TRPV4 离子通道，同样在 PIC/OEG-NPs 复合材料经近红外光照射后，细胞内 Ca2+浓度显著增加，添加 TRPV4 特异性抑制剂后，荧光强度降低，表明 PIC/OEG-NPs 复合材料能有效激活 TRPV4 离子通道，并且对其实现了实时调控。
3. 机械敏感 RhoA 通路的表征
RhoA 作为 Rho 家族鸟苷三磷酸酶（GTPases）的关键成员，在机械信号转导和细胞骨架动力学中发挥重要作用。研究发现，PIC/OEG-NPs 复合材料经近红外光照射后，在 HEK-293T 细胞和 HUVECs 中，RhoA 的表达显著增加，其下游效应物 F - 肌动蛋白（F-actin）的表达也相应升高。这表明近红外光照射 PIC/OEG-NPs 复合材料激活了细胞内 MSCs，诱导细胞外钙离子内流，触发了细胞内信号转导通路，进而增强了 RhoA 和 F-actin 的表达。
4. 利用 PIC/OEG-NPs 复合材料进行近红外光控血管生成
血管生成是从已有的毛细血管和后毛细血管小静脉发展出新的毛细血管样血管的复杂过程。由于 PIC/OEG-NPs 复合材料能通过机械转导途径动态调节 HUVECs 的行为，研究人员推测其可能增强 HUVECs 的血管生成能力。通过体外血管生成实验 —— 管形成实验进行验证，结果显示在 PIC/OEG-NPs 复合材料经近红外光照射后，形成了大量的毛细血管样结构，总管长度和分支数量显著增加，同时血管内皮生长因子（VEGF）的表达也明显升高，表明 PIC/OEG-NPs 复合材料在近红外光照射后能增强细胞的血管生成能力，在组织再生应用方面具有巨大潜力。
在结论和讨论部分，研究人员制备的 PIC/OEG-NPs 复合材料实现了对细胞内 MSCs 的远程调控。近红外光照射下，OEG-NPs 的光热转换使复合材料的机械性能增强，从而有效调控了 Piezo1 和 TRPV4 等 MSCs 的活性，并且增强了 HUVECs 的血管生成能力。该研究还探索了复合材料对细胞内机械信号转导通路的影响。这一研究成果为细胞生物学和组织工程领域提供了一种全新的策略，有望成为治疗相关疾病的有效手段，在组织工程和再生医学领域具有广阔的应用前景，为解决组织修复和再生等难题带来了新的希望 。
