隨著組織工程領域的發展，生物材料界面與細胞的相互作用及物理機制成為了研究熱點之一。生物界面的拓撲形貌可以有效調控細胞行為并影響細胞功能。然而體內的一些生理過程，如胚胎發育、免疫應答和組織更新與重塑等往往涉及多細胞的集體行為。腫瘤的侵襲和轉移也與集體細胞的協調運動有關。細胞球作為一種體外三維細胞培養模型，具有強烈的細胞－細胞相互作用，可以在細胞生理學、信號通路、基因和蛋白表達以及氣體／營養物質梯度等方面更好地模擬體內環境。因此，明確材料表面拓撲結構與細胞球的相互作用對理解體內生理、病理機制具有重要意義。但是，目前同時具有厘米級尺度和微納米精度的跨尺度微納拓撲結構尚難以快速制備。
中科院理化所仿生智能界面科學中心有機納米光子學實驗室鄭美玲研究員團隊近日在跨尺度微納拓撲結構制備及細胞球浸潤性調控方面取得了新進展。該團隊提出采用飛秒激光無掩膜投影光刻技術（MOPL）制備大面積兼具高精度的微盤陣列拓撲結構以研究細胞球的浸潤性。研究發現細胞球在多種不同單元直徑的微盤陣列拓撲結構上展示出了不同的浸潤速度。通過分析細胞形態、骨架分布和細胞黏附，解析了細胞球浸潤速度的變化機制，并發現細胞球在大尺寸和小尺寸的微盤結構單元上采取不同的浸潤模式。該研究揭示了細胞球對跨尺度微納拓撲結構的響應機制，為理解組織浸潤行為提供了參考。研究成果發表于Small 2023， 2300311． （DOI： 10．1002／smll．202300311），博士研究生郭敏為論文第一作者，鄭美玲研究員為通訊作者。
MOPL是一種高效率且能靈活化地制備微納拓撲結構的技術。考慮到單個細胞的尺寸以及細胞球浸潤過程中與大面積拓撲結構的相互作用，作者首先利用MOPL技術制備了高度低于1μm，拓撲單元直徑分別為2、5、20和50 μm的大面積（8 mm × 10 mm）微盤陣列結構（圖1）。
圖1．飛秒激光無掩膜投影光刻示意圖及制備的微盤陣列拓撲結構
采用超低吸附法制備了大小均一的人腎透明細胞癌細胞的細胞球。然后利用激光掃描共聚焦熒光顯微鏡對細胞球在微盤陣列拓撲結構上的動態浸潤行為進行了觀察。細胞球在一系列微盤陣列拓撲結構上發生了完全浸潤并展現出不同的浸潤面積。結合細胞球鋪展理論，通過量化不同時間點的細胞球浸潤面積，發現細胞球的浸潤速度在2、5、50和20 μm直徑的微盤結構單元上依次減小，細胞球在直徑為20 μm的微盤結構單元上具有較小的細胞－基底黏附能（圖2）。
圖2． 細胞球在多種拓撲結構上的動態浸潤過程與分析
進一步地，利用免疫熒光染色分析了多種不同微盤結構上的細胞形態、肌動蛋白和黏著斑分布，提出細胞球在直徑2μm和5 μm的小尺寸的微盤結構上采取攀爬模式浸潤，在直徑20μm和50 μm的較大尺寸的微盤結構上采取繞行模式浸潤（圖3）。細胞球的浸潤過程表現為一種多細胞的集體協調運動。
圖3．細胞球的攀爬浸潤和繞行浸潤模式解析
該研究揭示了細胞球在各向同性微盤陣列拓撲結構表面的浸潤機制，促進了對細胞球與界面拓撲結構相互作用的理解。本工作是飛秒激光面投影納米光刻技術及應用（Nano Lett． 2021，21， 3915－3921；Opt． Express 2022， 30， 36791－36801；Nano Lett． 2022， 2， 9823－9830）的拓展和深入。相關研究工作得到科技部納米科技重點專項、國家自然科學面上基金項目和中國科學院國際伙伴計劃等項目的大力支持。該課題研究過程中得到了仿生中心王樹濤副所長的悉心指導。
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