Nature综述：细胞外基质粘弹性性能对细胞行为的影响

过去二十年的大量研究已经证实，细胞外基质（ECM）的弹性或刚度会影响基本的细胞进程，包括扩散、生长、增殖、迁移、分化和类器官形成。线弹性聚丙烯酰胺水凝胶和涂有ECM蛋白的聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体被广泛用于评估刚度的作用，此类实验的结果通常被认为是重现了细胞在体内所经历的力学环境的影响。但组织和ECM并不是线弹性材料，它们表现出更复杂的力学行为，包括粘弹性（对载荷或变形随时间变化的响应）、机械塑性和非线性弹性。在此，研究者回顾了组织和ECM的复杂力学行为，讨论了ECM粘弹性对细胞的影响，并描述了粘弹性生物材料在再生医学中的潜在应用。最近的研究表明，基质的粘弹性调节了相同的基本细胞进程，并能促进在二维和三维培养微环境中用弹性水凝胶所没能观察到的行为。这些发现为了解细胞-基质相互作用以及这些相互作用如何不同地调节细胞内力学敏感的分子路径提供了见解。这些结果为下一代生物材料的设计提供了指导，可用于匹配组织、ECM力学性能的体外组织模型和再生医学的应用。

相关综述以题为“Effects of extracellular matrix viscoelasticity on cellular behaviour”发表于Nature杂志，斯坦福大学的OvijitChaudhuri，昆士兰大学的Justin Cooper-White，宾夕法尼亚大学的Paul A. Janmey和Vivek B. Shenoy，以及哈佛大学的David J. Mooney均为通讯作者。

生物组织和ECM表现出复杂的、随时间和速率变化的力学行为，包括粘弹性、孔隙弹性、塑性和非线性弹性的结合。既粘弹性又塑性的材料被认为是粘塑性的。

Box 1图 与生物组织和细胞外基质有关的机械行为：a.线弹性、b.非线性弹性、c.粘弹性、d.孔隙弹性、e.塑性

细胞通过机械方式与ECM相互作用，包括通过牵拉（通常是通过基于肌动蛋白的收缩耦合到通过基于整合蛋白粘附的ECM上）和推动（通常是通过肌动蛋白聚合和微管）来进行。ECMs的力学特性介导了这些相互作用，从而导致细胞的力学传导并影响细胞行为。

图1 细胞和细胞外基质之间的机械相互作用

粘弹性已被发现是活组织和ECM的一个接近普遍的特征。在对机械扰动的响应中，粘弹性材料表现为纯弹性固体的瞬时弹性响应，接着是随时间变化的机械响应和能量耗散或损失，这两种特性都是粘性液体的特性。粘弹性材料将响应于外部阶梯应力或载荷的施加而以随时间变化的方蠕变或变形，并且响应于阶梯变形而经历应力松弛或以随时间变化的方式降低应力水平。粘弹性材料表现出介于纯弹性和纯粘性的响应，响应的同相分量被描述为储存或弹性模量，而异相响应被描述为损耗或粘性模量。粘弹性材料中损耗模量与储能模量之比的大小通常由频率决定。粘弹性固体与粘弹性流体的区别在于，在恒定变形下长时间保持应力或弹性阻力，或长时间在载荷作用下达到平衡变形。粘弹性固体的日常例子包括果冻（明胶）、应力球和面团，而橡皮泥就是粘弹性流体的一个例子。包括大脑在内的很多软组织都是粘弹性的。流变学分析表明，软组织通常在1 Hz时表现出损耗或粘性模量，通常约为其存储或弹性模量的10％至20％。应力松弛测试显示，包括肝脏、乳房、肌肉、皮肤和脂肪组织在内的软组织，在数十到数百秒的时间内，对变形的抵抗能力大幅松弛。即使是较硬的骨骼组织，包括骨、肌腱、韧带和软骨，也是粘弹性的，其损耗模量约为储存模量的10%。不同发育阶段的胚胎和再生结构，如破裂的血肿或血块，也表现出粘弹性。

图2 生物组织和细胞外基质是粘弹性的，在变形时表现出应力松弛

一组利用独立可调粘弹性特性的生物材料的二维培养研究已有力证明了基质的粘弹性对细胞的影响。为了在用于细胞培养的简化生物工程材料中重现组织的弹性和耗散特性，研究者阐述了几种基于高分子物理原理的方法。此外也有基于水凝胶材料形成的方法，在聚合物之间形成弱（动态或物理）交联。

Box 2图 形成三种不同特性水凝胶的策略：弹性、粘弹性但不粘塑性、粘弹性且粘塑性

一个计算模型被引入来解释细胞基质粘弹性对细胞行为的影响。二维培养中细胞基质刚度的主要传感装置被认为是肌球蛋白-肌动蛋白粘附系统，也被称为马达离合器模块，其动力学原理已经成功地解释了细胞在弹性基质上的刚度传感。模型显示，对于软质基材，在最佳粘度水平下可实现最大的细胞扩散；对于较硬基材，该模型预测粘度不会影响细胞扩散，因为黏度的升高会使结合的离合器饱和。

图3 力学传导分子离合器模型从二维角度解释了基质粘弹性对细胞扩散的影响

研究者还讨论了基质粘弹性在三维培养中的作用。已知培养物的尺寸会影响细胞结构、粘附、信号传导和营养物质的运输。三维培养支持多种行为，包括上皮形态发生，维持人类胚胎干细胞的多能性以及软骨细胞的分化状态。培养维度也已专门涉及介导力学传导。例如，尽管二维培养研究表明YAP转录调节因子是一种通用的力学换能器，它在所有二维培养背景下介导了细胞对刚度的反应，但在刚度诱发的乳腺癌三维培养模型中发现了不依赖YAP的力学传导，这与对乳腺癌患者样本的分析一致。水凝胶的粘弹性和粘塑性对三维培养中细胞扩散，增殖，基质沉积和迁移的影响表明了与机械约束这一概念的联系。许多细胞过程涉及细胞体积，形状或运动的变化。当这些过程中受到周围ECM或细胞三维物理限制时，这些细胞被认为是受机械限制的。公认的观点是，孔径和基质降解能力是机械限制的关键调节器。对于刚性或弹性孔隙，基质降解是细胞克服限制和迁移的必要条件。然而，只要有足够的粘弹性或粘塑性，细胞就能克服限制而增大大小，沉积基质，在扩散或有丝分裂时改变形态，并迁移。这提供了一个新的视角，即除了孔隙大小和降解性之外，基质力学粘塑性也可决定约束。在细胞基质重构过程中，这些特性是相互耦合的：粘塑性基质的细胞重构改变了孔隙大小，基质降解改变了其粘弹性特性，基质结构的变化可能会影响粘塑性和降解性。且基质的重塑和沉积作用往往随粘塑性的增加而增强，细胞响应的机械微环境是依赖于时间的，细胞基质的相互作用成为一个动态的、潜在的迭代过程。

图4 三维培养中基质粘塑性介导机械约束

基质粘弹性对细胞增殖、基因表达、命运和迁移的显著影响，突出了其作为生物材料应用设计参数的重要性。事实上，FDA批准的组织工程产品（例如，移植物工程皮肤，注入骨再生装置）通常是基于粘弹性基质。材料加工技术的进步，如3D打印技术，通常使用粘弹性材料，使组织和器官的结构和性能得到更准确的再现。利用工程组织作为发展和病理学基础研究的改进模型、作为毒理学分析的试验床和改进的药物筛选也使人们对发展微生理系统（例如芯片上的组织）和培养器官产生了极大的兴趣。与标准的二维细胞培养模型相比，这些模型能更真实地再现组织和器官生物学，同时也能使经典的临床前研究的人类生物学（相对于动物生物学）研究成为可能。有直接的证据和大量的相关数据表明，粘弹性是再生医学用生物材料的重要设计参数。第一个证明基质硬度调节再生的是干细胞在粘弹性水凝胶中的移植。在这些凝胶中，硬度对干细胞命运的影响与细胞牵引力重塑组成水凝胶的聚合物的能力有关，这意味着凝胶的粘弹性是它们在体内影响细胞命运的关键。也有研究通过将细胞移植到匹配的初始弹性模量但是应力松弛率不同的水凝胶中直接研究了粘弹性的影响。具有更快的应力松弛的水凝胶导致更大的骨骼再生。水凝胶的各种应用中，包括软骨再生，声带再生和心肌梗塞后心肌病理重塑的改善也可能与它们的粘弹性能具有相关性。粘弹性是否已成为一个隐藏变量，可以更广泛地解释生物材料领域过去的许多工作成为了一个关键问题。再生医学中一些最广泛使用和成功的生物材料都是物理交联的水凝胶（胶原蛋白凝胶，透明质酸和超分子组装物）。早期研究得出的结论是，降解速度更快的水凝胶比降解速度较慢的凝胶导致更多的组织再生。但是，这些研究利用聚合物分子量的变化来调节凝胶的溶解，这些变化也将改变材料的粘弹性，并且细胞活性介导的材料降解的可能会将局部基质转变为更粘弹性的状态。此外，细胞可能与它们自己沉积的基质分子相互作用，这可能提供粘弹性底物。显然，未来将需要更多的研究来描述粘弹性，其他物理特性和化学组成在细胞和组织对介导组织修复和形成的各种生物材料反应中的特定作用。

粘弹性是活组织和ECM的一个近乎普遍的特征，并且越来越多证据表明细胞感知和响应ECM的粘弹性特性，挑战了目前以刚度为中心的细胞基质力学传导观点。生物材料设计历来不考虑粘弹性的重要性，但从现在起粘弹性可能是一个关键的技术规范在许多应用程序中。可能包括多能干细胞、组织驻留干细胞和分化细胞、免疫细胞等多种细胞类型的再生调控生物学，也需要明确粘弹性在调控生物学中的作用，以合理设计增强组织再生的材料。生物材料的设计还可能需要将细胞感知到的局部粘弹性特性与更大的、组织尺度的特性脱钩，以实现再生或工程组织的机械稳定性。因此，具有可控粘弹性的生物材料的出现可能会改变再生医学中生物材料应用的成功程度。

图5 应用于再生医学的粘弹性生物材料设计