基于近红外响应大分子驱动器的3D水凝胶平台精准调控机械力对癌细胞迁移的影响

研究人员开发了一种嵌入近红外响应大分子驱动器的3D水凝胶平台，通过精确调控机械力参数（大小、频率和持续时间）研究其对卵巢癌细胞球体迁移和侵袭的影响，重点关注整合素亚型αvβ3和αvβ6的作用。研究发现机械刺激早期增强集体侵袭，后期触发间质-阿米巴样转化（MAT），揭示了整合素特异性响应的力学机制，为癌症靶向治疗提供了新见解。

　　

在癌症转移过程中，机械力如何调控细胞行为一直是研究的难点。传统方法难以实现微观尺度上对特定受体的精准力学加载，且多数研究局限于二维环境，与体内三维微环境差异显著。整合素作为细胞膜上关键的力传感器，不同亚型（如α_vβ₃和α_vβ₆）对机械力的响应阈值和功能各异，但缺乏能够靶向刺激特定受体的研究工具。

为解决这些问题，上海科技大学的研究团队开发了一种新型3D水凝胶平台，通过嵌入近红外（NIR）响应的分子驱动器CD-PNIPAM-Ligand，实现了对整合素亚型的精准力学调控。该驱动器利用croconaine染料（CD）的光热效应，触发温敏性聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）链收缩，从而对细胞受体施加拉力。研究通过功能化两种配体（RGD靶向α_vβ₃，RTD靶向α_vβ₆），系统分析了机械力参数对卵巢癌Hey细胞球体迁移的影响，并结合分子模拟揭示了力学-生物学耦合机制。相关成果发表于《Nature Communications》。

关键技术包括：1）合成光热响应大分子驱动器CD-PNIPAM-Ligand；2）构建可调力学性能的Dextran-MA水凝胶；3）结合活细胞成像与免疫荧光分析细胞迁移表型；4）采用分子对接和牵引动力学（SMD）模拟解析配体-整合素相互作用。

研究结果：
3D水凝胶平台的开发与表征
通过迈克尔加成反应构建的Dextran-MA水凝胶，其剪切储能模量（G'）可在200-3000 Pa范围内调节。CD-PNIPAM-RGD的引入使水凝胶在808 nm激光照射下产生快速温升（2-9°C），触发PNIPAM链的构象转变，从而施加140-330 pN的脉冲式拉力。

机械力增强集体细胞侵袭
在早期迁移阶段（2天内），α_vβ₃介导的细胞在受照区域迁移距离（84 μm）显著高于非受照区（52 μm）。高频率（10 Hz）和大振幅（35 kDa驱动器）刺激进一步促进迁移，伴随F-肌动蛋白各向异性增加25%和黏着斑（FA）形成。

高强度机械力诱导整合素依赖的MAT
持续4天的高频（100 Hz）刺激导致α_vβ₃激活细胞发生间质-阿米巴样转化（MAT），表现为圆形形态、SNAI1表达上调和E-钙黏蛋白下调，迁移速度提升至20.8±4.0 μm/h。而α_vβ₆激活细胞保持间质迁移（11.1±4.1 μm/h），且TGF-β1分泌增加。

分子机制验证
SMD模拟显示，RTD与α_vβ₆的解离力（647 pN）远高于RGD与α_vβ₃（400 pN），解释了为何35 kDa驱动器（400 pN）仅能破坏后者结合而触发MAT。

结论与意义：该研究首次在3D微环境中实现了整合素亚型特异性的力学调控，揭示了机械力参数与受体特性共同决定癌细胞迁移模式的规律。α_vβ₃对高频/大振幅力的敏感性提示其可作为抑制转移的靶点，而α_vβ₆的高亲和力特性可能用于维持组织完整性。这一平台为研究力学生物学提供了普适性工具，并为开发针对不同整合素亚型的抗癌策略奠定了理论基础。