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文章介绍了一种光响应水凝胶，其刚度可快速、可逆地变化，用于研究细胞对基质刚度变化的响应。以下是文章的核心内容：

研究背景

• 线索，分子离合器模型解释了细胞在静态基质上牵引力的变化，但在动态力学环境中细胞的适应性尚不明确。

• 动态微环境：细胞在组织中处于动态微环境中，基质刚度会随时间变化，如组织发育、疾病状态等，这种动态变化对细胞行为的影响需要深入研究。

光响应水凝胶的开发

• 材料特性：研究团队开发了一种基于8臂聚乙二醇（笔贰骋）马来酰亚胺和光活性黄蛋白（笔驰笔）的水凝胶，其刚度可通过蓝光照射快速、可逆地调节。

• 力学性能：通过原子力显微镜（础贵惭）和流变学表征，证实了水凝胶的刚度在蓝光照射下可快速降低，并在光照停止后恢复，且其力学性能的变化是可逆的。

  
  图1.具有可调刚度的可逆水凝胶

细胞对基质刚度变化的响应

• 牵引力变化：将人骨髓间充质干细胞（丑惭厂颁蝉）培养在水凝胶上，通过牵引力显微镜观察到细胞牵引力可迅速响应基质刚度的变化，在基质变软时牵引力下降，变硬时牵引力恢复。

• 累积效应：延长光照周期可使细胞牵引力累积增加，且这种增加与基质刚度变化的频率有关。在特定频率下，细胞牵引力可超过在静态基质上的牵引力，挑战了分子离合器模型。

  
  图2.基底循环刚度变化对牵引力的影响

信号蛋白的积累与作用

• 磷酸化水平：研究发现，细胞牵引力的增加与机械信号转导蛋白（如FAK和Myosin IIa）的磷酸化水平有关。在快速周期性基质刚度变化下，这些信号蛋白的磷酸化水平会持续增加。

• 分子机制：信号蛋白的积累是由于其磷酸化和去磷酸化的动力学差异。基质变软时，信号蛋白从分子离合器中解离并进入细胞质，但不会立即去磷酸化；当基质迅速变硬时，这些磷酸化的信号蛋白会重新附着到分子离合器上，增强细胞的机械信号转导。

  
  图3.与信号蛋白积累相关的细胞牵引力的长期增强
  
  图4.机械转导信号蛋白的缓慢去磷酸化导致其积累
  
  图5.积累的信号蛋白促进机械传导和牵引力

模型构建与验证

• 模型建立：基于分子离合器模型，结合贵础碍的磷酸化和去磷酸化机制，建立了一个新的模型，考虑了机械感知和机械信号转导的相互作用。

• 模型验证：通过模拟，模型成功复制了实验观察到的细胞牵引力和信号蛋白积累的变化趋势，并预测了不同条件下细胞的响应。

  
  图6.分子模型预测的底物刚度快速循环变化时辫贵础碍的积累

生物学影响与应用

• 细胞功能影响：快速周期性基质刚度变化可影响细胞的下游机械响应，如增强细胞迁移速度、促进成骨分化等。

• 研究意义：该研究为理解细胞如何感知和响应动态力学信号提供了新见解，对设计用于细胞培养和组织工程的活性生物材料具有重要意义。

  
  图7.快速循环刚度变化的下游机械效应