Nature子刊：基于模块化的数学建模方法揭示配体间纳米簇连接性，以揭示可逆的干细胞调控

天然细胞外基质不断重塑，形成复杂的互联网络结构，反向调节干细胞行为。对其调控及理解其复杂的动态特性，有助于调节众多细胞行为。然而，由于缺乏设计和建模这种具有动态可控性的复杂结构，目前尚未实现这一目标。在此，我们报告了基于模块化的数学建模方法，通过图论模拟了细胞外基质仿生配体簇间连接性的调控。随着磁性纳米阻断剂各向异性的增加，精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）配体间的相互连接逐渐断裂，配体簇间的边数减少。这一现象使干细胞失活，但可以通过线性化纳米阻断剂部分恢复其活性。远程周期性升高高各向异性纳米阻断剂，在纳米阻断剂下灵活生成纳米间隙，并增加配体簇间的边数。随后，整合素呈递干细胞的浸润被刺激，反向增强了焦点黏附和机械转导驱动的分化过程，这一过程在体外和体内均得以体现。设计并系统建模细胞外基质仿生几何结构，为揭示动态细胞-材料相互作用在组织再生中的应用提供了新思路。

图1 | 模拟干细胞行为调控的配体纳米簇互联网络示意图。

图2 | 远程控制高各向异性纳米阻断剂，实现配体簇间边数的可逆调节。

图3 | 原位相变形成可逆调控的各向异性纳米阻断剂。

图4 | 减少各向异性或线性化纳米阻断剂独立升高配体簇间边数。

图5 | 通过Louvain算法最大化模块化方法在网络模型中的簇划分示意图。

图6 | 周期性升高各向异性纳米阻断剂，升高配体簇间边数并反向刺激整合素招募。

图7 | 远程周期调节配体簇间边数可逆调节干细胞行为。

图8 | 远程调节配体簇间边数驱动的动态干细胞行为由与黏附相关的分子机制驱动。

图9 | 配体簇间边数的时间分辨调节在体内调控干细胞行为。