題目：人心房成纖維細(xì)胞對(duì)基質(zhì)剛度異質(zhì)性的適應(yīng)

（如果需要完整文獻(xiàn)請(qǐng)與我們工作人員聯(lián)系，可試樣）

摘要：纖維化與衰老和許多心臟病有關(guān)。其特征在于肌成纖維細(xì)胞分化和細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的過度積累。纖維化相關(guān)的組織重塑導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)和功能的顯著變化，包括被動(dòng)機(jī)械性能。隨著最近開發(fā)的新工具和方法，該研究領(lǐng)域獲得了顯著的發(fā)展，以更好地表征和理解細(xì)胞感知和響應(yīng)其生物物理環(huán)境的能力。我們使用一種稱為CyPhyGel的新型水凝膠來提供與重塑相關(guān)的組織硬度變化的*體外模型?；谒{(lán)藻光敏色素的光控二聚化，它能夠以高空間和時(shí)間分辨率對(duì)水凝膠機(jī)械性能進(jìn)行非接觸式和可逆調(diào)諧。在CyPhyGels上培養(yǎng)人原代心房成纖維細(xì)胞。在硬質(zhì)（~4.6 kPa）或軟質(zhì)（~2.7 kPa）CyPhyGels上培養(yǎng)4天后，我們分析了成纖維細(xì)胞面積和硬度。與在較硬的基質(zhì)上生長的細(xì)胞相比，在較軟的基質(zhì)上生長的細(xì)胞更小更軟。當(dāng)軟質(zhì)和硬質(zhì)生長底物組合在單個(gè)CyPhyGel中時(shí)，不存在這種差異，產(chǎn)生的細(xì)胞面積與均質(zhì)剛性凝膠上的細(xì)胞面積相似，細(xì)胞剛度與均質(zhì)軟基質(zhì)上的細(xì)胞剛度相似。使用CyPhyGels在體外模擬組織硬度異質(zhì)性，我們的結(jié)果證實(shí)了心臟成纖維細(xì)胞適應(yīng)其機(jī)械環(huán)境的能力，并表明存在一種旁分泌機(jī)制，該機(jī)制可以調(diào)整與機(jī)械誘導(dǎo)的表型向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化相關(guān)的成纖維細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能特性。在局部組織硬度增加的情況下，例如在瘢痕形成或彌漫性纖維化時(shí)，這種機(jī)制可以幫助防止正常組織和患病組織之間邊界區(qū)域的細(xì)胞特性突然變化。CyPhyGeles的光可調(diào)機(jī)械性能及其對(duì)研究人類原代心臟細(xì)胞的適用性使其成為心臟力學(xué)生物學(xué)研究的有吸引力的模型系統(tǒng)。進(jìn)一步的研究將探索生物物理和可溶性因素在心臟成纖維細(xì)胞對(duì)空間和時(shí)間異質(zhì)機(jī)械線索的反應(yīng)中的相互作用。

一、介紹

由于衰老、機(jī)械超負(fù)荷或損傷等原因引起的心臟組織損傷與纖維化的發(fā)展有關(guān)。纖維化的特征在于肌成纖維細(xì)胞分化和細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）蛋白的過度積累（Herum等人，2017）。這種重塑主要是由成纖維細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的（Manabe等人，2002;Travers等人，2016），組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)的變化，其后果從心輸出量受損到心律失常脆弱性增加（Nguyen和Qu，2014）。最終，纖維化的存在和程度是心臟性猝死的主要危險(xiǎn)因素（Disertori等人，2016）。到目前為止，還沒有有效的治療方法來逆轉(zhuǎn)心臟纖維化，主要是由于對(duì)潛在的基本機(jī)制了解不足。

可能的治療方法必須考慮組織力學(xué)的變化，這既是重塑的原因，也是重塑的結(jié)果。成纖維細(xì)胞對(duì)其機(jī)械環(huán)境的感知已被證明在纖維化重塑中發(fā)揮作用（Hinz，2013;范普滕等人，2016 年）。近年來，已經(jīng)開發(fā)了幾種體外模型來研究成纖維細(xì)胞機(jī)械傳感。這些模型中的主要一類使用合成基材，包括水凝膠和有機(jī)硅。這些允許研究人員規(guī)定培養(yǎng)細(xì)胞的機(jī)械環(huán)境（Rosales和Kristi，2016;李等人，2018）?；蛘?，天然存在的底物，如脫細(xì)胞組織（Ott等人，2008）或活的心臟組織切片（Perbellini等人，2018）已被用于為細(xì)胞提供近生理生長底物，但這些是更復(fù)雜且可重復(fù)性較差的模型。更接近地模擬體內(nèi)條件的底物是的，因?yàn)楫?dāng)ECM生產(chǎn)克服退化時(shí)，纖維化組織的整體剛度提高（Levental等人，2010），剛度分布是高度異質(zhì)的。具有或多或少ECM的區(qū)域構(gòu)成了不同的機(jī)械微域。在彌漫性纖維化中，例如在心房顫動(dòng)中，僵硬的ECM島分布在較軟的組織中（Tanaka等人，2007）。鑒于對(duì)單細(xì)胞的機(jī)械效應(yīng)主要由其微環(huán)境主導(dǎo)，體外模型應(yīng)復(fù)制這些剛度異質(zhì)性，理想情況下以可控的方式。

允許在機(jī)械性能中引入空間梯度的模型已被用于證明成纖維細(xì)胞的剛度引導(dǎo)遷移，這一過程稱為durotaxis，取決于基質(zhì)蛋白的類型（Hartman等人，2017）。此外，具有微圖案剛性和軟區(qū)域的水凝膠用于顯示細(xì)胞在各種剛度上的適應(yīng)性（Sunyer等人，2012），并研究基質(zhì)組織對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞分化的作用（Yang等人，2016）。然而，這些模型不允許人們?cè)跁r(shí)間或空間上動(dòng)態(tài)和可逆地改變生長基質(zhì)的被動(dòng)機(jī)械性能?；谒{(lán)藻光敏色素Cph1的新型水凝膠系統(tǒng)（我們?cè)谶@里稱為CyPhyGel）可以通過允許水凝膠硬度的光控，可逆變化來解決這一限制（H?rner等人，2019b）。為此，使用細(xì)胞兼容的紅光在其單體（740nm）或二聚體（660nm）形式之間切換Cph1，從而分別以非接觸方式減少或增加生長基質(zhì)中的交聯(lián)數(shù)量。CyPhyGels的剛度可以在1.5和5.5 kPa（有效楊氏模量）之間變化。剛度的變化發(fā)生在照明的幾秒鐘內(nèi)，是可分級(jí)的，在沒有光線的情況下是穩(wěn)定的，并且是可逆的（H?rner等人，2019b）。在這項(xiàng)研究中，我們使用CyPhyGels來研究人類心臟成纖維細(xì)胞對(duì)杜羅抗性以外機(jī)械環(huán)境剛度異質(zhì)性的適應(yīng)。

二、材料和方法

CyPhyGels和成纖維細(xì)胞的納米壓痕

有效楊氏模量，E伊芙，使用Chiaro納米壓痕系統(tǒng)（Optics11，荷蘭阿姆斯特丹）進(jìn)行評(píng)估。連接到校準(zhǔn)懸臂上的球形用于壓痕樣品，同時(shí)將激光束照射到反射懸臂表面上。對(duì)反射的激光進(jìn)行干涉分析，以測量與懸臂彎曲相關(guān)的相移。由此計(jì)算出樣品壓痕所需的力。E伊芙使用接觸力學(xué)的赫茲模型推導(dǎo)（赫茲，1881;陳，2014）假設(shè)不可壓縮材料的泊松比為0.5，通常用于細(xì)胞和組織的機(jī)械測試（圖1B;Guz 等人，2014 年）。在整份手稿中，E伊芙稱為剛度。以5 μm/s的置換速度進(jìn)行2–4 μm的樣品壓痕。數(shù)據(jù)分析使用 Optics11 DataViewer （V2.0.27）。

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對(duì)于CyPhyGel表征，使用了彈簧常數(shù)為0.45–0.5 N/m且半徑為20–23 μm的懸臂。對(duì)于細(xì)胞評(píng)估，使用彈簧常數(shù)為0.01-0.02 N/m的懸臂和半徑為3-3.5μm的。通過在兩到三個(gè)與細(xì)胞核不重疊的不同位置進(jìn)行表面法向壓痕來確定單個(gè)細(xì)胞的剛度。對(duì)于每個(gè)壓痕，使用赫茲模型來擬合從初始細(xì)胞表面接觸到1μm壓痕的力 - 位移曲線，以避免來自底層生長基質(zhì)的機(jī)械干擾。在接種CyPhyGels后4天評(píng)估細(xì)胞硬度。

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結(jié)果

通過光調(diào)節(jié)CyPhyGels的機(jī)械性能

均勻暴露在660 nm照明下的CyPhyGels具有E伊芙4.59 ± 0.11 kPa，而用 740 nm 照明后，E伊芙分別為 2.72 ± 0.06 kPa（圖 2A，）。相似的最大值和最小值 E伊芙發(fā)現(xiàn)了異質(zhì)CyPhyGels的兩個(gè)差異調(diào)諧的一半。為了對(duì)剛度梯度進(jìn)行空間表征，以50μm的步長繪制了異質(zhì)CyPhyGels，沿著垂直于其剛性和軟性兩半之間邊界的線繪制。E伊芙從 4.48 ± 0.58 變?yōu)?2.12 ± 0.30 kPa（圖 2C）。在邊界附近使用更高分辨率的步長（5μm），我們發(fā)現(xiàn)剛性和軟區(qū)域之間的過渡發(fā)生在100-150μm的寬帶內(nèi)（圖2D）。邊界區(qū)域的寬度至少在1毫米以上是恒定的（補(bǔ)充圖S3）。

圖2

圖2.CyPhyGels的機(jī)械性能。（A）本實(shí)驗(yàn)中使用的CyPhyGel配置的示意圖。（二）E伊芙的CyPhyGels，暴露于660或740nm（n = 24）的均勻照明或順序照明，因此機(jī)械異質(zhì)（n = 4），通過納米壓痕測定。（三） E伊芙沿著垂直于三個(gè)代表性異質(zhì)CyPhyGels的剛性和軟性兩半之間邊界的軸，說明了凝膠剛度的階躍變化（連續(xù)測量點(diǎn)之間的距離為50μm，n = 3）。（D）從圖C對(duì)凝膠3中的過渡區(qū)域進(jìn)行更高分辨率的評(píng)估（測量點(diǎn)之間的距離為5μm）。（E） E伊芙在照明后（第0天）和6天后立即從圖C獲得凝膠3，對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間。

為了評(píng)估CyPhyGel剛度的異質(zhì)性是否隨時(shí)間推移而持續(xù)，在順序照明后6天測量了剛度，這對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間。具有不同剛度的兩個(gè)區(qū)域仍然清晰可辨（圖2E）。6天內(nèi)柔軟區(qū)域的硬度略有增加是由于在CyPhyGel處理和細(xì)胞培養(yǎng)過程中暴露于外部光線（補(bǔ)充圖S2）。

結(jié)論

我們提出了一種新的體外模型，適用于研究對(duì)基質(zhì)剛度局部和時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)生物學(xué)反應(yīng)。該模型將用于闡明不同機(jī)械微環(huán)境中細(xì)胞之間的通信機(jī)制，例如模擬纖維化或瘢痕性心肌。我們的結(jié)果表明，心臟成纖維細(xì)胞對(duì)生長基質(zhì)機(jī)械特性的適應(yīng)可以通過旁分泌因子以及直接的細(xì)胞 - 細(xì)胞接觸來調(diào)節(jié)。

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生物組織納米壓痕儀介紹
Piuma納米壓痕儀的核心部件是其安裝在壓痕移動(dòng)平臺(tái)上極其敏銳的壓痕探頭
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生物組織納米壓痕儀是一個(gè)簡單易用的革命性產(chǎn)品，為軟物質(zhì)以及生物材料組織的微觀以及納觀研究帶來希望。依靠自身*的新型光學(xué)技術(shù)以及杰出的微加工工藝，Piuma納米壓痕儀可以測量楊氏模量軟的樣品，范圍甚至是從5Pa到5GPa!Piuma同樣非常適合在液體中測試樣品。其操作非常簡單易學(xué)，只需將探頭插入儀器中，簡單定標(biāo)后，即可馬上開始?jí)汉蹖?shí)驗(yàn)。

產(chǎn)品構(gòu)件詳細(xì)介紹：
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納米壓痕儀核心:一個(gè)微加工工藝制作的光學(xué)壓痕探頭
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納米以及微米級(jí)別的生物機(jī)械性能

Piuma是一個(gè)創(chuàng)新的，具有成本效益的工具，用來表征生物材料、組織、細(xì)胞器、細(xì)胞層、軟骨、靜電支架、力學(xué)性能，3D打印材料，水凝膠等的微納米機(jī)械性能。

The Piuma 納米壓痕儀專為迎合生物材料以及組織研究人員和工程師的需求，提供易用性和便攜性，同時(shí)提供高精度、高通量和多樣化的數(shù)據(jù)。Optics11小型化的玻璃探針式壓頭，特別適合在液體中測量水合樣品。組織工程和再生醫(yī)學(xué)的研究者，Piuma納米壓痕儀是衡量他們感興趣材料剛度的一個(gè)解決方案。 

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Piuma Nanoindenter是荷蘭Optics11公司出品的新型生物納米壓痕儀。主要應(yīng)用范圍為生物組織、生物支架、水凝膠、聚合物、細(xì)胞等軟物質(zhì)以及生物材料的機(jī)械性能研究。采用了新型探頭設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)其他納米壓痕儀無法測試軟物質(zhì)的問題也解決了原子力顯微鏡在軟物質(zhì)測試中的數(shù)據(jù)波動(dòng)大，操作困難、制樣嚴(yán)苛等常見問題。更開創(chuàng)性的在壓痕儀中加入了動(dòng)態(tài)力學(xué)測試模式DMA，可以獲得材料與振動(dòng)頻率相關(guān)的儲(chǔ)存模量、損失模量和損失因子，用于研究材料在交變力作用下的滯后現(xiàn)象和力學(xué)損耗。