生物医用材料设计指导性文件!细胞外基质粘弹性对细胞行为的影响

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过程,包括扩散、生长、增殖、迁移、分化和类有机物的形成。为了重现细胞在体内经历的力学环境的影响,线性弹性聚丙烯酰胺水凝胶和包覆有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。

然而,组织和细胞外基质不是线性弹性材料,它们表现出更复杂的力学行为,包括粘弹性(对载荷或变形的时间相关响应),以及机械塑性和非线性弹性。

近日,斯坦福大学Ovijit Chaudhuri,昆士兰大学Justin Cooper-White,宾夕法尼亚大学Paul A. Janmey、Vivek B. Shenoy,哈佛大学David J. Mooney五位细胞力学和生物材料界大牛联合在《Nature》上发表了题为“Effects of extracellular matrix viscoelasticity on cellular behaviour”的综述文章,综述了组织和细胞外基质的复杂力学行为,讨论了细胞外基质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。基质粘弹性调节基本细胞过程,并可以促进在二维和三维培养微环境中用弹性水凝胶观察不到的行为。这些发现提供了对细胞-基质相互作用以及相关机械敏感的分子通路的观察,为下一代生物材料提出了设计指南。

《Nature》重磅综述:生物医用材料设计指导性文件!细胞外基质粘弹性对细胞行为的影响

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细胞通过机械方式与ECM相互作用,包括通过牵拉(通常是通过基于整合素的粘附力耦合到ECM的基于肌动蛋白的收缩力)和通过推动(通常是通过肌动蛋白聚合和微管)来进行。ECM的机械性质介导这些相互作用,导致细胞机械转导并影响细胞行为。

表1.与生物组织和细胞外基质有关的机械行为

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复杂的组织和ECM力学

粘弹性是活组织和细胞外基质普遍特征。作为对机械扰动的响应,粘弹性材料表现出瞬时弹性响应,这是纯弹性固体的特征,随后是随时间变化的机械响应和能量耗散或损失,这两者的特征都是粘性液体的特征。

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取决于频率。

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。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。应力松弛测试显示,软组织,包括肝,乳房,肌肉,皮肤和脂肪组织-基本上在它们的阻抗比的时间尺度从几十放宽到变形到几百秒。

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对于骨骼组织,软组织和重组ECM,在大约1 Hz时的损耗模量和储能模量,以及应力松弛测试

粘弹性的变化与疾病的进展有关。弹性模量的确定是触诊以识别僵硬肿瘤的基础,不能有效地识别大多数类型的脑部肿瘤,而是通过磁共振弹性成像显示其耗散特性的变化可以识别神经胶质瘤和其他类型脑部的边缘原位肿瘤。此外,大脑粘弹性的变化与衰老和多发性硬化症有关。同样,乳腺癌的进展与硬度和能量耗散的变化有关。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,值得进一步研究。

粘塑性是粘弹性材料的一个子集:施加的应力超过材料的“屈服应力”时,它们会显示出永久变形,而在去除应力时,它们至少会保持部分变形。这些材料对低于其屈服应力的载荷或变形具有粘弹性。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。组织由细胞、细胞外基质和细胞外液组成。细胞外基质由纤维蛋白聚合物网络组成,典型的是1型胶原纤维网络,夹杂着高度水合的、柔性的多糖和其他大分子,被认为是组织力学和粘弹性的关键调节因子。胶原或纤维网络中的消散取决于将一种纤维与另一种纤维连接起来的键的性质。大多数网络交联是非共价的,由许多解离速率足够快的弱键引起,以允许应力在相应的时间尺度上松弛,或允许材料蠕变。这些弱键也可以表现出取决于载荷的动力学,并且在机械变形或载荷下弱键的断裂会耗散能量。基质变形后弱键的重整可以稳定材料的变形状态,从而导致塑性变形。

由于组织主要由水组成,因此,ECM中的水流会引起大量的粘性耗散,称为多孔弹性效应,这取决于组织的筛孔大小或孔隙率以及加载速率。除此之外,许多组织还表现出非线性弹性。

二维培养基与分子离合器

底物粘弹性对细胞的作用已通过利用具有独立可调节粘弹性的生物材料的二维培养研究得到了有力证明,并且通过计算模型发现,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。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。

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应用于粘弹性基底的机械转导的分子离合模型示意图及分子离合器模型模拟预测最佳细胞扩散时的应力松弛

形成弹性,粘弹性但非粘塑性或粘弹性和粘塑性水凝胶的策略:

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三维培养与机械约束

研究人员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。培养维度也已专门涉及介导机械转导。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机械换能器,但它在所有二维培养背景下介导了细胞对僵硬的反应,在刚性乳腺癌的三维培养模型中发现了不依赖YAP的机械转导,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。当这些处理在三个维度由周围ECM或细胞物理地限制,该细胞被认为是机械地约束。公认的观点是,孔径和基体降解能力是机械限制的关键调节器。

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基质孔径,基质可降解性和基质粘塑性共同决定的机械约束对三维培养细胞的影响

医用粘弹性生物材料

这些发现的潜在应用在于再生医学生物材料的设计。这个领域的起源是为了使那些因疾病或创伤而受损或丢失的组织和器官或工程替代品再生。生物材料通常用于细胞和药物输送,在空间上组织移植和驻留的细胞,调节基因表达,并在各种再生,组织和免疫工程应用中指导组织结构和功能。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。

粘弹性是用于再生医学的生物材料的重要设计参数。干细胞在水凝胶中的移植是基质刚度调节再生的第一个证明,凝胶的粘弹性是影响其体内细胞命运的关键。随后的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。

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设计用于再生医学的粘弹性生物材料

展望

粘弹性是活组织和ECM的近乎普遍的特征,并且细胞可以感知并响应ECM的粘弹性,从而挑战了目前以刚度为中心的细胞-基质机械转导的观点。需要测量发育过程中组织以及成人和病理组织的粘弹性和粘塑性。尽管已经越来越了解基质粘弹性对二维培养中细胞铺展的影响,但还必须在基质的其他物理线索的背景下考虑粘弹性的作用,包括几何形状,孔隙率和拓扑结构等。我们对粘弹性和粘塑性基体在三维环境上的机械传导的机理了解仍然有限,需要创新工具和方法以更高的时空分辨率来解密细胞-基质的相互作用。

展望未来,粘弹性很可能成为许多应用中的关键技术规范。粘弹性在调节各种细胞类型生物学中的作用,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,设计具有可控粘弹性的生物材料可能会促进生物材料在再生医学中的成功应用。

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