基于纤维的组织工程已成为设计与细胞外基质紧密模拟的支架的关键。胞外基质由具有不同排列方式的复杂纤维网络组成，静电纺丝纳米纤维是组织工程中广泛应用的支架材料，但细胞如何响应不同排列方式的纤维？这一领域长期存在矛盾结论。

有研究称规则排列促进骨细胞分化，也有证据显示随机排列效果更佳。这种矛盾源于对细胞感知纤维空间特征的机制认识不足。从机械生物学的角度来看，无论外部条件如何，细胞行为主要受细胞内牵引力的支配。这种力通过肌动蛋白应力纤维产生，并通过粘着斑传递到细胞外基质，然后将机械信号传递到细胞核，影响染色质结构和基因表达。这种机械反馈回路会影响细胞形态、增殖、分化等。因此，了解纤维排列如何调节这些机械传导信号对于理解其对细胞行为的影响至关重要。

近日，四川大学魏强研究员等人使用具有受控排列的聚己内酯电纺纤维基材，模拟了细胞外基质结构，旨在研究纤维排列如何调节机械传导及其对细胞行为的影响。研究结果表明，细胞大小在确定细胞和纤维之间的空间关系方面起着关键作用，直接影响机械传导。跨越多根纤维的较大细胞表现出增强的铺展和增加的机械传导，而限制在纤维间隙内的较小细胞表现出降低的机械传导。尽管排列整齐的纤维始终会沿纤维方向诱导细胞极化，但其潜在机制会根据细胞大小而变化，从而导致不同的细胞行为。通过调整细胞和纤维之间的空间关系，证明了这种关系对于调节细胞功能至关重要。这一发现为设计更精准的生物仿生支架提供了关键理论支持，相关成果以“Cellular Spatial Sensing Determines Cell Mechanotransduction Activity on the Aligned Nanofibers”为题目发表于《Small》期刊。

研究亮点：

1.细胞“大”有可为：

     当细胞宽度超过纤维间隙的5倍（约40微米）时，能够跨越多个纤维，形成强韧的应力纤维，显著提升机械传导活性；而“娇小”细胞（宽度 < 20微米）则被限制在纤维间隙中，机械信号传导受限。

2.空间定位决定细胞命运：

     通过3D成像技术，团队首次揭示细胞在纤维上的两种空间模式：跨越纤维表面的“外向细胞”和困于间隙的“内向细胞”。前者因能形成成熟黏着斑，机械传导效率更高。

3.半排列纤维“神助攻”：

     团队创新开发了半排列纤维网络，通过优化纤维间隙与方向，帮助小细胞突破空间限制，显著提升其机械传导能力，为定向组织再生提供新材料策略。

图1. 可控取向电纺 PCL 纤维的制备、表征及其对六种细胞类型形态的影响。

图2. 可控排列的电纺纤维上的细胞牵引力和机械转导。

图3. 排列纤维上的细胞形态和排列。

图4. 细胞在排列纤维上粘附和极化的两种机制。

图5. 调整与纤维的空间关系后的细胞机械转导。

从微观细胞到宏观组织，再次印证了“小尺寸决定大未来”的科研哲学。期待这项“细胞户型学”研究，早日转化为临床利器，为再生医学开创新纪元！

原文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202410351