Dissecting Physical and Biochemical Effects in Nanotopographical Regulation of Cell Behavior

纳米地形 机械转化 纳米技术 细胞生物学 材料科学 间充质干细胞 细胞 纤维连接蛋白 化学 生物物理学 生物 生物化学
作者
Kai Wang,Kun Man,Jiafeng Liu,Brian Meckes,Yong Yang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (3): 2124-2133 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c08075
摘要

Regulating cell behavior using nanotopography has been widely implemented. To facilitate cell adhesion, physical nanotopography is usually coated with adhesive proteins such as fibronectin (FN). However, the confounding effects of physical and biochemical cues of nanotopography hinder the understanding of nanotopography in regulating cell behavior, which ultimately limits the biomedical applications of nanotopography. To delineate the roles of the physical and biochemical cues in cell regulation, we fabricate substrates that have either the same physical nanotopography but different biochemical (FN) nanopatterns or identical FN nanopatterns but different physical nanotopographies. We then examine the influences of physical and biochemical cues of nanotopography on spreading, nuclear deformation, mechanotransduction, and function of human mesenchymal stem cells (hMSCs). Our results reveal that physical topographies, especially nanogratings, dominantly control cell spreading, YAP localization, proliferation, and differentiation of hMSCs. However, biochemical FN nanopatterns affect hMSC elongation, YAP intracellular localization, and lamin a/c (LAMAC) expression. Furthermore, we find that physical nanogratings induce nanoscale curvature of nuclei at the basal side, which attenuates the osteogenic differentiation of hMSCs. Collectively, our study highlights the dominant effect of physical nanotopography in regulating stem cell functions, while suggesting that fine-tuning of cell behavior can be achieved through altering the presentation of biochemical cues on substrate surfaces.
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