五位生物材料大牛Nature综述 | 材料基质的粘弹性对细胞有何影响？

昵称32772025 2021-03-20

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虽然培养基质的机械性质对细胞行为的影响的迹象早已被观察到，但直到最近，这一概念才被科学界广泛接受。在20世纪90年代末，Pelham和Wang发现不同弹性模量的聚丙烯酰胺水凝胶影响着细胞与ECM的粘附、细胞扩散和迁移。自从这项研究以来，许多研究小组已经使用聚丙烯酰胺凝胶和具有可调弹性模量的各种其他材料系统来表明基质硬度影响其他各种过程，包括增殖和凋亡、干细胞分化、乳腺癌进展和对药物的反应。

从机械上讲，目前的观点认为，当细胞通过基于整合素的粘附或其他细胞-表面连接与底物结合时，细胞利用基于肌动球蛋白的收缩力施加牵引力，目前的共识是ECM硬度在调节发育、体内平衡、再生过程和疾病进展中起着关键作用。

活体组织不是纯粹的弹性材料，它们表现出随时间变化的机械响应并耗散使它们变形所需的能量的一部分，根据分子机制，这种特性称为粘弹性或多孔弹性。越来越多研究表明，组织和ECM的这些更复杂的机械特性有时会以我们以前基于纯弹性底物的机械转导理解所无法预料的方式影响细胞。

将材料结构与荷载作用下的功能反应联系起来

鉴于此，宾夕法尼亚大学Vivek B. Shenoy、Paul A. Janmey、哈佛大学David J. Mooney院士、澳大利亚昆士兰大学JustinCooper-White和斯坦福大学Ovijit Chaudhuri等人近日在Nature上发表综述，回顾了组织和ECM的复杂机械行为，讨论了ECM粘弹性对细胞的影响的最新工作，并描述了在再生医学中使用粘弹性生物材料的潜力。

细胞与细胞外基质之间的机械相互作用

组织和ECM机理非常复杂

已经发现粘弹性是活组织和ECM的近乎普遍的特征。哺乳动物中最柔软，耗散性最强的粘弹性组织之一是大脑。根据时间尺度和变形，脑组织可以在很长的时间尺度上看起来像玻璃或液体一样流动。此外，耗散（和粘弹性）不仅可以区分灰质和白质，还可以区分大脑的不同区域。其他软组织也是粘弹性的，图2的流变学分析表明，软组织通常在1 Hz时表现出损耗或粘弹性模量，通常约为其存储模量的10％至20％或弹性模量。应力松弛测试表明，软组织（包括肝，乳腺，肌肉，皮肤和脂肪组织）在数十秒到几百秒的时间范围内都显著松弛了它们对变形的抵抗力。甚至较硬的骨骼组织（包括骨骼，腱，韧带和软骨）也具有粘弹性，损耗模量约为存储模量的10％。处于不同发育阶段的胚胎以及诸如破裂性血肿或血凝块等再生结构也表现出粘弹性。

重要的是，粘弹性的变化与疾病的进展有关。弹性模量的测定是触诊以识别僵硬肿瘤的基础，对于鉴别大多数类型的脑肿瘤并不有效，相反，磁共振弹性成像所揭示的，其耗散特性的变化可以在原位识别胶质瘤和其他类型脑瘤的边缘。此外，粘弹性的变化与其他类型的癌症或疾病有关，但有关这些数据的缺失很大，这代表了我们知识上的一个重大缺口。

表现出粘塑性的材料代表了粘弹性材料的一个子集，这些材料对低于其屈服应力的载荷或变形具有粘弹性。用于细胞培养的重构ECM材料通常是粘塑性的。组织粘塑性的特征甚至小于组织粘弹性，这代表了知识上的另一个关键缺口。

组织和ECM的耗散特性是多种机制的基础，其中一些机制也导致了粘塑性。许多组织还表现出多孔弹性效应和非线性弹性。

生物组织和细胞外基质是粘弹性的，并响应变形而显示应力松弛

二维培养基与分子离合器

利用具有独立可调节粘弹性特性的生物材料研究了二维培养底物粘弹性对细胞的作用。还比较了在共价交联（或弹性）与离子交联（或粘弹性和粘塑性）藻酸盐凝胶上培养成纤维细胞和癌细胞的影响。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，也称为马达离合器模块（图3），其动力学已成功地解释了弹性体上细胞的刚度传感基材。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，对于坚硬的基材，该模型预测粘度不会影响细胞扩散，因为所结合的离合器会因刚度增加而饱和。

机械转导的分子离合模型从两个方面解释了基质粘弹性对细胞扩散的影响

三维培养与机械约束

还已经在三维培养基中研究了基质粘弹性的作用。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。培养基维度也已专门涉及介导机械转导。

各种研究探索了基质粘弹性对三维培养中细胞的影响。RGD偶联的聚乙二醇（PEG）凝胶，RGD偶联的海藻酸盐凝胶以及透明质酸和胶原蛋白的互穿网络中增加的应力松弛，增强的蠕变或更高的损耗模量，以及透明质酸和胶原蛋白的互穿网络，促进了粘附细胞（如成肌细胞，成纤维细胞和MSC）的扩散。具有快速应力松弛的水凝胶还有助于维持神经祖细胞的干性，而在共价交联的水凝胶中却受到抑制。此外，软骨细胞和成骨分化的MSC可以在显示快速应力松弛的粘弹性水凝胶中分别形成大量相互连接的软骨样或骨样基质。

基质粘塑性在三维培养中介导了机械限制

医用粘弹性生物材料

上面讲了那么多的，有一个潜在的应用在于再生医学生物材料的设计。该领域的起源是为了使那些因疾病或外伤而受损或丢失的组织和器官或工程替代品再生。基质粘弹性对细胞增殖，基因表达，命运和迁移的明显影响突出了其作为基于生物材料的应用的设计参数的重要性。确实，FDA批准的组织工程产品（例如，Apligraft工程皮肤）通常基于粘弹性基质。材料处理技术（例如3D打印）的进步（通常使用粘弹性材料）使组织和器官的结构和特性得以更真实地概括。

既有直接的证据，又有大量的相关数据表明，粘弹性是用于再生医学的生物材料的重要设计参数。基质刚度调节再生的第一个证明是使用干细胞在粘弹性水凝胶中的移植。令人惊讶的是，刚度对这些凝胶中干细胞命运的影响与细胞牵引力使包含水凝胶的聚合物重塑的能力有关，这表明，实际上，凝胶的粘弹性是影响凝胶对细胞命运影响的关键。随后的研究通过将细胞移植到初始弹性模量匹配的水凝胶中直接研究了粘弹性的影响，但应力松弛率不同。具有更快应力释放的水凝胶可促进骨骼再生。最佳松弛率对应于从患者身上分离出的人类骨折血肿，其包括自然发生骨再生的环境。还发现类似的传递诱导蛋白的粘弹性水凝胶可促进广泛的骨再生，这可能是由于宿主细胞容易侵入凝胶的能力所致。水凝胶在各种应用中的有益作用（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）也可能与其粘弹性有关。

一个关键问题是，粘弹性是否已成为一个隐藏变量，以更广泛地解释生物材料领域过去的许多工作。再生医学中一些最广泛使用和成功的生物材料，包括胶原蛋白凝胶，透明质酸和超分子组装物，都是物理交联的水凝胶。重组后的基底膜基质是用于体外肠类器官形成的最广泛使用的生物材料，也是一种物理交联的粘弹性水凝胶，其他用于促进骨骼肌，肝脏和神经类器官的形成的材料也是如此。已经进行了许多旨在描述基质降解对组织再生的影响的研究，并且具有启发性的可能性是这种影响可能至少部分与这些生物材料的粘弹性行为有关。几项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，这些变化也将改变粘弹性。还有，导致这些材料降解的细胞活性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。类似地，最近为开发用于类器官形成的天然衍生的物理水凝胶的合成类似物的努力表明，凝胶的降解性对于设计合成替代品至关重要。尽管对粘弹性在先天和适应性免疫系统细胞的命运和功能状态中的作用了解甚少，但最近的一项研究涉及纯弹性共价交联的合成基质，而不是用天然衍生的物理交联的粘弹性ECM制造的那些，导致炎症。显然，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。

展望

生物材料设计历来没有考虑到粘弹性的重要性，但是展望未来，粘弹性很可能成为许多应用中的关键技术规范。成功可能需要模仿发育中组织的机械特性，因为模仿发育环境通常是促进再生的有效策略。粘弹性在调节可能包括多能干细胞、组织驻留干细胞和分化细胞以及免疫细胞在内的各种细胞类型生物学调节中的作用，以便合理设计能够促进组织再生的材料。生物材料的设计也可能需要将细胞感知的局部粘弹性特性与实现再生或工程组织机械稳定性所需的更大的组织尺度特性相分离。因此，具有可控粘弹性的生物材料的出现可能会改变生物材料在再生医学中的应用。