空间几何约束诱导细菌与宿主细胞粘附的力学生物学机制研究

宿主细胞在伤口愈合、细胞迁移和肿瘤形成等诸多生理病理过程中普遍受到空间几何约束的限制。近年来的研究表明空间几何约束等物理力学微环境对细菌和宿主细胞的功能和行为起着至关重要的调控作用。然而，空间几何约束如何调节细菌与宿主细胞间的界面力学相互作用仍不明晰。

北京大学工学院黄建永 研究员 课题组在 Nature Communications 杂志在线发表了题为 “Geometric constraint-triggered collagen expression mediates bacterial-host adhesion” 的研究论文。该文聚焦细菌与宿主细胞界面力学相互作用，基于单细胞力谱技术定量表征了细菌与宿主细胞间的特异性粘附力，建立了细菌与宿主细胞单层相互作用的力-化学耦合模型，从力学生物学视角揭示了空间几何约束诱导细菌与宿主细胞异质性粘附的时空动态规律，在此基础上借助细胞测序技术识别了IV型胶原在其中的关键调控作用，为临床上改善细菌抗生素治疗方案提供了新的思路。

细菌-宿主细胞的界面力学相互作用

该工作首先构建了基于细菌与宿主细胞单层相互作用的体外感染模型，探究了细菌与空间几何约束细胞之间的异质性粘附现象，基于单细胞力谱技术的表征结果显示图案化细胞单层边缘的细菌粘附力高达~75 nN，近似是细胞单层中心位置处粘附力的3倍，进一步通过力-化学耦合模型分析和细胞RNA测序揭示了空间几何约束触发宿主细胞单层中IV型胶原蛋白的表达是主导细菌-宿主细胞界面异质性粘附形成的内在原因。在此基础上，课题组发现胶原抑制剂可有效降低细菌-宿主细胞间的特异性粘附力，进而显著抑制细菌的界面粘附和入侵。上述工作不仅阐明了空间几何约束微环境调控细菌-细胞界面粘附的力学生物学机制，也为抗生素辅剂的筛选和临床上改善细菌抗生素治疗方案提供了可借鉴的思路和策略。

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