上皮细胞集群通过深度机械感知调控分层基质上的细胞聚集与分散

来自多机构的研究团队针对细胞如何感知深层基质刚度的科学问题，通过构建胶原-聚丙烯酰胺双层水凝胶模型，发现上皮细胞集群能机械感知>100 μm深度的基底刚度，并揭示该过程依赖集体胶原变形、肌球蛋白-II及α-连环蛋白介导的细胞间黏附。这一发现突破了传统机械感知的尺度认知，为肿瘤侵袭和伤口愈合等过程提供了新机制解释。

　　

在伤口愈合、肿瘤生长和器官形成过程中，上皮细胞在分层组织环境中迁移与聚集。尽管细胞对黏附基质（extracellular matrices）的机械感知（mechanosensing）已被广泛认知，但其能否感知远处基质层的力学特性仍不明确。以往研究表明，单个细胞可通过厚度＜10 μm的软水凝胶感知坚硬基底，而本研究探索细胞集群是否具备感知更厚基质层的“深度机械感知（depth-mechanosensing）”能力。

通过胶原（collagen）-聚丙烯酰胺（polyacrylamide）双层水凝胶系统，研究人员发现上皮细胞集群能感知深度超过100 μm的基底刚度，并通过细胞聚类行为和胶原变形程度进行评估。在基底较硬的胶原层上，细胞迁移初始速度较慢，但伴随更显著的胶原变形与硬化，最终导致上皮细胞集群的分散程度降低。该过程分为两大阶段：细胞聚类与胶原动态变形，随后是细胞迁移与分散。

借助细胞-胶原-聚丙烯酰胺计算模型，研究进一步表明较硬基底引发更强的胶原变形，从而延长上皮细胞的聚集期并抑制其分散。若通过α-连环蛋白（α-catenin）敲除或肌球蛋白-II（myosin-II）抑制破坏集体胶原变形，则软/硬基底引起的上皮细胞响应差异消失。这些结果说明，深度机械感知是一种由上皮细胞集群引发集体胶原变形而涌现（emergent）的特性。

此项研究将上皮细胞机械感知的范畴从直接接触表面拓展至深层基底基质，为理解具有刚度梯度分层结构的组织环境（如伤口愈合与肿瘤侵袭）提供了新视角。