纤维化微环境中机械限制调控有丝分裂纺锤体定位与取向的机制研究

研究人员通过构建ECM(细胞外基质)模拟纳米纤维系统，探究纤维化微环境中机械限制(ECM confinement)对有丝分裂纺锤体(mitotic spindle)定位的影响。发现限制程度通过调控收缩纤维(RFs)的三维排布模式(三角形/带状)诱导中期板(MP)旋转，局部皮质变形协同RFs共同限制MP倾斜。该研究为理解体内稀疏纤维组织中细胞分裂机制提供了新见解，发表于《PNAS Nexus》。

　　

在生物体发育和组织稳态维持过程中，有丝分裂纺锤体的精确定位对细胞命运决定至关重要。然而在纤维化的微环境中，如疏松结缔组织和间质基质，细胞如何在外界机械限制(ECM confinement)下完成精准分裂仍是未解之谜。传统二维培养体系无法模拟体内纤维网络的复杂力学环境，而现有三维限制模型又难以区分收缩纤维(retraction fibers, RFs)与机械限制的独立作用。

印度科学培育协会和弗吉尼亚理工大学的研究团队创新性地采用悬浮纳米纤维系统，首次揭示了ECM限制通过双重机制调控中期板(metaphase plate, MP)取向的规律。研究发现发表于《PNAS Nexus》，通过柔性纤维网络模拟天然ECM结构，允许细胞自然圆形化同时施加可调控的机械限制。实验发现限制程度(h/H值)决定RFs在皮质层的三维排布模式：低限制时形成三角形模式，高限制时转为带状模式。

研究运用了四项关键技术：(1)STEP纺丝技术制备250nm仿生纤维网络；(2)纳米网力显微镜(NFM)定量有丝分裂力(12-14nN)和RF张力(~214pN)；(3)延时成像追踪MP动态；(4)蒙特卡洛模拟整合中心体(CS)、染色体(CH)、膜相互作用等力学因素。使用同步化HeLa细胞系(H2B-GFP标记)在12μm间距纤维上构建实验体系。

机械限制诱导MP旋转
通过共聚焦三维重建发现，ECM限制导致纺锤体在细胞内旋转，MP倾斜角与限制程度(h/H)强相关(R²
=0.96)。纳米力测量显示限制细胞产生12-14nN的圆形化力，使纤维外凸。

RFs排布模式决定MP倾斜
低限制(h/H~0.1)时，RFs从纤维平面延伸至细胞赤道形成三角形排布，覆盖50%皮质；高限制(h/H~0.5)转为带状排布，覆盖降至30%。计算模型证实三角形模式通过更强的CS-RF吸引力维持小倾斜角。

皮质变形与RFs协同调控
高限制时纤维机械夹捏形成对称叶突，局部MP变形(C>2μm)限制染色体移动。当MP中心距纤维平面(h_f
)<1μm时，变形与RFs协同使60%细胞MP倾斜≤10°；而h_f

1μm时MP偏向某叶突导致高倾斜。

该研究建立了纤维限制与有丝分裂取向的定量关系，揭示RFs几何排布是MP旋转的主要驱动力。创新性发现皮质变形可作为物理约束与RFs协同调控纺锤体取向，解释了体内稀疏纤维环境中细胞分裂的稳定性机制。研究为发育生物学和肿瘤转移领域提供了新视角，特别是乳腺癌细胞沿胶原纤维迁移时的分裂行为解析。技术层面发展的NFM方法和STEP纤维平台，为微环境力学研究提供了新工具。

研究也存在一定局限：缺乏MP倾斜动态的实时三维成像；未考虑RFs分子组成差异的影响。未来可结合光片显微镜和分子扰动实验进一步探索时空调控机制。这些发现为理解ECM力学信号如何通过皮质变形和RFs整合到纺锤体定向机制开辟了新途径。