论丝素蛋白生物材料对细胞行为的影响
论丝素蛋白生物材料对细胞行为的影响
来源：蚕桑通报 作者：胡豆豆;杨明英
发布于：2020-04-24 共6588 字
细胞生物学课程论文（优选范文 8篇）之第六篇
摘要：生物材料的相容性一直是组织工程和再生医学领域的重要议题。组织细胞能对外界
环境作出不同的响应, 但只有在天然生长环境中 (细胞外基质) 细胞才能发挥其正常的功能。因
此构建基于丝素蛋白的仿生生物材料是处理生物相容性的可行途径之一。本文介绍了细胞与细
胞外基质相互作用的机理, 总结了近年来丝素来源的生物材料影响细胞黏附、迁移、增殖和分
化等行为的因素, 包括材料的化学成分、拓扑结构 (纤维尺寸、支架孔径和表面特性) 以及力学
特性, 并在此基础上讨论了存在的问题及今后的发展方向, 为设计新一代的生物材料提供参考和
借鉴。
关键词：丝素蛋白,细胞生物学,细胞行为,相互作用
丝素蛋白 (silk fibroin, SF) 是构成茧丝的主要成分, 它赋予茧丝独一无二的理化特性。凭借一系
列优异的生物特性, 丝素蛋白逐渐成为组织工程研究领域所青睐的天然生物原料之一。组织工
程是运用细胞生物学和工程学的方法, 设计和构建适合生物活体组织生长的生物材料, 以达到修
复或重建组织器官的结构和功能[1]。在这个过程中, 生物材料与组织细胞的相互作用显得尤为
重要, 因此生物相容性是评价生物材料优良与否的重要指标。近年来生物相容性的研究主要集
中在细胞尺度上的细胞相容性。得益于研究手段和技术的提高, 细胞相容性从早期简单的评价
细胞毒理学和细胞数目、形态[2~3]逐步深入到细胞代谢、信号传导、基因表达产物等[4~6]分
子水平的分析。在生物体内细胞外基质 (extracellu?lar matrix, ECM) 为细胞的黏附、迁移、生长
和分化提供了良好的环境, 目前一些研究者试图从模拟细胞外基质的角度出发来构建组织工程
的生物材料。由于细胞外基质成分和结构的复杂性, ——在丝素中复合其它天然成分 如胶原
[7]、壳聚糖[8]、透明质酸[9] ——等 已成为一种普遍的研究手段。
组织工程的发展对细胞相容性研究提出了越来越高的要求, 人们对生物材料与细胞的相互作用
越来越重视, 希望能从本质上揭示其互作的分子机理, 为设计和构建能促进和指导组织修复和再
生的生物材料提供理论依据。因此, 本文介绍细胞外基质基质与细胞间的作用并综述基于丝素
蛋白的生物材料的物化属性对细胞行为的影响。
1 基质与细胞作用的分子基础
1.1 —参与基质 细胞作用的成分
细胞外基质是由细胞分泌到细胞外间质中的生物大分子构成的复杂网络结构, 支持、连接组织
结构和调节细胞的生理活动。按功能细胞外基质的组成可分为三大类:① 糖胺聚糖
(glycosaminoglycan, GAG) , 由重复二糖单位构成的无分枝长链多糖, 在结缔组织中发挥多种功
能。硫酸乙酰肝素、硫酸软骨素和透明质酸是三种主要的类型;②结构蛋白, 如胶原蛋白和弹性
蛋白, 它们为细胞外基质提供一定的强度和韧性;③黏着蛋白, 包括纤粘连蛋白 (fibro?nectin, FN)
和层粘连蛋白 (laminin, LN) , 它们均为糖蛋白, 是影响细胞黏附和分化的重要因子[10~11]。
细胞黏附分子是位于细胞膜上的一类跨膜糖蛋白, —以受体配体结合的形式发挥作用。它们的
— —特异性结合使细胞和细胞间、细胞和基质间或细胞 基质 细胞间发生黏附, 参与细胞的识
别、活化和信号转导、增值分化、伸展与迁移, 是免疫应答、炎症反应、凝血、肿瘤转移以及
创伤愈合等一系列重要生理和病理过程的分子基础。根据其结构特点黏附分子可分为整合素家
族、选择素家族、免疫球蛋白超家族和钙黏蛋白家族等[11]。其中, 整合素家族是在组织工程研
究中报道得最广泛的黏附分子。
1.2 细胞在基质上的黏附
细胞与基质的黏附可分为非特异性黏附和特异性黏附。
非特异性黏附的基本模型是DLVO 理论[12], 主要涉及细胞与基质表面的静电作用和范德华
力。当细胞接近基质表面时, 潜在的自由能降低, 表明长程静电相互作用 (排斥力) 和长程范德华
力的相互作用 (吸引力) 达到平衡。由于第二最小值的影响, 细胞在基质表面附着并不紧密, 只有
当细胞克服势能垒进入第一最小值, 才能与表面紧密黏附。
—特异性黏附主要涉及由细胞黏附分子介导的与细胞外基质中黏着蛋白的受体配体反应。以整
合素为例, 当整合素与基质外配体结合后, 在Rho-A 小分子 GTP 酶的刺激下黏着斑开始形成。
黏着斑是一种几平方微米的的扁平而伸长的连接结构, 通常位于细胞外周[13]。黏着斑在细胞质
端结合有衔接蛋白 (桩蛋白、距蛋白、黏着斑蛋白、α辅肌动蛋白和张力蛋白) , 衔接蛋白与肌
动蛋白丝网络相连, 并结合一些信号传递蛋白 (图1) 。黏着斑的形成是细胞外基质与细胞相互
作用的基础, 也是影响细胞后续功能的前提条件。
1.3 由信号通路介导的细胞行为
由整合素介导的黏着斑的形成使细胞外基质与细胞骨架建立了联系。整合素不仅具有黏合作用,
更重要的是它起着受体和信号转换器的作用, 可将信息双向跨膜传输。整合素活化引起一系列
信号通路的激活, 如Wnt 信号、NO 信号、维甲酸信号和蛋白激酶 C 信号 (PKC) , 这些信号通路
引起细胞核内转录因子活性的增强或减弱, 从而调控基因的特异性表达, 细胞代谢活性随之发生
变化进而影响细胞的命运, 如黏附、迁移、分化或凋亡[15]。
2 丝素材料理化特性对细胞行为的影响
在生物体内, 组织细胞生活在细胞外基质的微环境中, 细胞外基质时刻与细胞进行着物质和信息
的交流, 这种交流是细胞发挥功能的基础。基于细胞生活的天然环境, ——仿生材料的设计 如模
——拟细胞外基质的成分和结构构建的生物材料 很可能是解决组织工程和再生医学领域中某些
问题的最具前景的手段之一。大量前期研究表明[2,3,16,17,18,19,20], 基于丝素蛋白的仿生生物
材料能够很好的行使天然细胞外基质的某些功能, 如促进细胞生长、引导细胞迁移、分化等。
然而, 这类仿生生物材料的哪些特性能够进细胞应答、以及如何促进细胞应答?现阶段对这个问
题的研究已经逐渐成熟并取得了一定的进展, 将影响细胞生物学行为的材料因素可归纳为以下
三个方面。
2.1 化学成分
细胞外基质主要由纤维网架和凝胶基质构成。纤维网架由胶原蛋白和弹性蛋白构成, 凝胶基质
包括氨基聚糖和蛋白聚糖。由于丝素蛋白与胶原蛋白在氨基酸组成上的互补以及壳聚糖
(chitosan, CS) 与氨基聚糖结构的相似性, 常选择胶原、丝素、壳聚糖等作为模拟细胞外基质成
分的原料。
摘要：
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论丝素蛋白生物材料对细胞行为的影响来源：蚕桑通报作者：胡豆豆;杨明英发布于：2020-04-24共6588字 细胞生物学课程论文（优选范文8篇）之第六篇 摘要：生物材料的相容性一直是组织工程和再生医学领域的重要议题。组织细胞能对外界环境作出不同的响应,但只有在天然生长环境中(细胞外基质)细胞才能发挥其正常的功能。因此构建基于丝素蛋白的仿生生物材料是处理生物相容性的可行途径之一。本文介绍了细胞与细胞外基质相互作用的机理,总结了近年来丝素来源的生物材料影响细胞黏附、迁移、增殖和分化等行为的因素,包括材料的化学成分、拓扑结构(纤维尺寸、支架孔径和表面特性)以及力学特性,并在此基础上讨论了存在的问...
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作者：闻远设计
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