静态基质力学微环境对哺乳动物细胞的影响
静态基质力学微环境对哺乳动物细胞的影响
来源：生命科学研究 作者：李倩;朱晓��;王纪浩;
发布于：2020-02-13 共11540 字
摘 要： 细胞作为有机体的最小组成单元，广泛参与着一系列的生命活动。细胞甚至单
分子层面上的生物化学反应一直是探究机体生理活性的重点。近些年来，越来越多的研究指
出，力学微环境广泛地影响着细胞的生物学活性，如细胞内蛋白质的分布和动态变化、信号转
导等，同时细胞对外界产生的力学效应在组织的重构中起着重要的作用。理解力学微环境与细
胞生物学效应的关系为研究生理病理条件下细胞的变化提供了新的视角，同时为开发支架等仿
生材料提供了新的思路。本文总结了基质的硬度、配体浓度如何影响细胞黏附、迁移和分化，
可为未来生物力学的研究提供基础和依据。
关键词： 细胞; 力学微环境; 硬度; 配体浓度;
Abstract： As the smallest unit of living organisms, cells participate in a wide variety of
biological activities.The biochemical reactions on the level of cells or even single molecules have been
the focus of revealing the physiological activities of living organisms for quite a long time. In recent
years, many studies have been carried out to illustrate the influences of matrix properties on cellular
bioactivities. Cells are prone to be af-fected by mechanical microenvironment in many aspects, such as
their viscoelasticity, the distribution and dynamics of proteins, the interaction among proteins,
signaling pathways, et al. Meanwhile, cells can also respond to the environment and actively exert
forces, resulting in the remodeling of the extracellular matrix,the process of which is
called“mechanobiology”. As a consequence, it is significant to understand cell-matrix interactions in
depth because it provides a new viewpoint to study the dynamics of physiological and pathological
conditions as well as to design and develop advanced bionic scaffolds. Researches on the interactions
between cells and matrix were summarized, and how matrix properties(e.g. rigidity and ligand density)
influence cell behaviors(adhesion, migration and differentiation) was also discussed. These studies
would provide the basics for future mechanobiological development.
Keyword： cells; mechanical microenvironment; rigidity; ligand density;
在生命体中, ———从最小的单元 细胞到高级的组织、器官,它们在识别及相互作用过程中不仅
存在着生物化学反应,而且存在着力学传导,这些活动广泛参与并影响着有机体的生长、发育、
分化等生理及病理阶段。生物力学的概念最早由苏格兰科学家 D’Arcy Thompson “在其 生长和
形式上(On Growth and Form)”的报告中提出[1],之后越来越多的物理学家和生物学家投入到生物
力学的研究工作中。随着生物力学的发展,力学传导的研究对象已经从部分、简单的环境转向整
体、复杂的生理环境,其研究手段也已经从单一的物理学方法转向与生物化学和分子遗传学等方
法联用,这些都为深入理解力学信号如何转换为生物学信号提供了重要基础。
目前,细胞学效应的研究热点集中在细胞的黏附、迁移和分化,研究内容包括黏着斑和骨架蛋白
质构象及分布的变化、细胞外基质(extracellular matrix,ECM)的合成和重构以及细胞内信号转导
等。微环境产生的力学因素包括静态基质的硬度、拓扑学性质,以及流动环境的剪切应力、拉
伸、压力等。细胞生物学效应与力学微环境密切相关。已有研究表明,不同组织、细胞发挥生物
学活性的最佳基质弹性模量不同,如脂肪、脑细胞为 100 Pa 左右,肌肉组织为 1 kPa,结缔组织为
10 kPa,成骨细胞为 100 MPa 到15 GPa[2]。除了硬度之外,ECM 蛋白质、基质是否连续、研究体
系的维度(二维或三维)等都对细胞的黏附、迁移和分化产生重要的影响(图1)。本文将重点阐述
静态基质中的力学微环境对哺乳动物细胞的黏附、迁移、分化的影响以及细胞对 ECM 的力学
反馈。
1 、 基质微环境力学对细胞黏附的影响
首先,基质硬度影响细胞的黏附,黏着斑和细胞骨架蛋白质可直接反映黏附的强度[3]。早期的研
究发现,交联度高的胶原蛋白(弹性模量 30～100 kPa)上成纤维细胞的黏着斑稳定,黏附强度高,而
柔软的凝胶(弹性模量在 1 kPa 左右)表面黏着斑呈现游离的、动态的变化,黏附强度低[2]。基质
硬度与黏附强度的正相关不仅存在于天然的ECM 蛋白质上,也存在于人工合成的多聚物凝胶
上。Prager-Khoutorsky 等[4]制备了不同弹性模量的聚二甲硅氧烷(polydimethysiloxane,PDMS)和
聚丙烯酰胺(polyacrylamide,PAM),发现黏附在高硬度(5 kPa)多聚物上的成纤维细胞内黏着斑小
且数量多,肌动蛋白分布散乱,而在弹性模量高达2 MPa 的凝胶上,细胞内的黏着斑面积大、数量
少,细胞骨架贯穿整个细胞。因此,黏着斑的聚集程度和细胞骨架的形貌可作为细胞黏附强度的
一个重要指标。此外,基质的硬度亦影响黏着斑的成熟过程。相关研究报道,在硬度高的表面,细
胞呈现各向同性的铺展,黏着斑由初始形成到成熟的过程重复出现[5],而在硬度低的表面,只能检
测到细胞的初始黏附[6]。Jalali 等[7]用原子力显微镜进一步研究发现,在硬度为 218.85
Pa、385.58 Pa 和933.2 Pa 的PAM 上,内皮细胞的最大解离力分别为 0.28 nN、0.94 nN 和1.99
nN,直接证明了硬度和黏附强度之间的量化关系。Rigato 等[8]用原子力显微镜扫描发现,在硬度
高的表面,细胞内聚集有更紧密的肌动蛋白纤维束。总的来讲,基质硬度作用于黏着斑和细胞骨
架蛋白质,引起它们的形貌和组装变化,从而共同影响细胞的黏附强度。
图1 基质微环境力学对细胞黏附、迁移和分化的影响
Fig.1 The influence of matrix microenvironment mechanics on cell adhesion,migration and
differentiation
其次,细胞黏附受ECM 蛋白质的调控[9,10,11,12]。作为纤连蛋白序列中研究较多的小肽
RGD(arginine-glycine-aspartic acid),它对成纤维细胞黏附的影响表现在其间距上。Arnold 等[9]用
纳米光刻技术制备了纳米图案化的 RGD,发现当 RGD 的间距在58～73 nm 时,细胞黏着斑稳定,
而当距离大于73 nm 时,细胞黏附能力减弱,这是由于过大的配体位点间距使整合素无法聚集成
簇,导致黏着斑形成异常,从而引起细胞骨架蛋白质无法与其有效锚定。Ma 等[13]运用微图案化
技术也发现,x-y 轴上修饰的各向异性纤连蛋白促进了间充质干细胞的黏附。我们制备了纤连蛋
白和 RGD 修饰的钛合金,通过对间充质干细胞的单细胞力谱展开研究,发现在纤连蛋白 III8～10
结构域修饰的表面,细胞解离力比在RGD 修饰的表面大,因此,我们推测基质硬度相似时,细胞黏
附强度与蛋白质提供的黏附位点密度有关[14]。
最后,细胞黏附受到基质硬度和蛋白质的共同调控,但过高的硬度和配体浓度并不能使黏着斑持
续增大。Oria 等[15]指出,当基底的弹性模量在 10～100 kPa 时,间距 100 nm 的RGD 上人乳腺肌
上皮细胞的黏着斑最大,200 nm 间距的配体上黏着斑最小,而当基底弹性模量小于 10 kPa 时,大间
距的配体反而促进细胞的黏附。此外,计算机模拟和细胞学实验都表明,基质的高硬度外加高配
体浓度使黏附区域中整合素的数量达到饱和,黏附力无法重新分配,从而导致黏着斑瓦解。因此,
硬度与配体浓度如何精确调控细胞黏附尚需进一步实验验证,并且细胞类型与力学微环境的关联
也需要深入探讨。
2 、 基质微环境力学对细胞迁移的影响
不同类型的细胞在相同的基质中迁移速度不同,同一类型细胞的迁移又受到其力学微环境(如硬
度、基质的连续性和骨架蛋白质拉应力等)的影响。同时,细胞的迁移产生牵引力,在细胞外基质
重建及细胞形态调控中发挥重要的作用,与正常生理状态的维持和病理状态的发生密切相关。
2.1 、 细胞迁移的影响因素
普遍的观点认为硬度高的基质促进细胞迁移,即细胞迁移有趋硬性,这在多种类型的细胞(如成纤
维细胞、白细胞、肿瘤细胞等)中均有发现[16,17]。特别是肿瘤细胞,其发生和转移过程中局部
基质硬度的变化范围非常大(170 Pa～1.2 kPa)[18],因此,研究硬度与肿瘤细胞转移之间的关系尤
为重要,是近些年来的研究热点。已有研究表明,卵巢癌细胞 SKOV3 能够在PAM 表面从低硬度
(3 kPa)区域迁移至高硬度(25 kPa)区域[19],神经胶质瘤细胞 U251 在PAM 上的最佳迁移硬度大
约是100 kPa[20]。此外,基质的硬度范围对癌细胞的迁移也有重要的影响,例如:在不同硬度范围
的PDMS 上肺腺癌细胞 A549 的迁移状态和迁移率均有所不同,在低硬度范围(27～107 kPa)内,细
胞呈独立运动形式,迁移速度快,总迁移距离长,而在高硬度范围(1.5～4.8 MPa)内,细胞呈群体运
摘要：
展开>>
收起<<
静态基质力学微环境对哺乳动物细胞的影响来源：生命科学研究作者：李倩;朱晓��;王纪浩;发布于：2020-02-13共11540字 摘 要：细胞作为有机体的最小组成单元，广泛参与着一系列的生命活动。细胞甚至单分子层面上的生物化学反应一直是探究机体生理活性的重点。近些年来，越来越多的研究指出，力学微环境广泛地影响着细胞的生物学活性，如细胞内蛋白质的分布和动态变化、信号转导等，同时细胞对外界产生的力学效应在组织的重构中起着重要的作用。理解力学微环境与细胞生物学效应的关系为研究生理病理条件下细胞的变化提供了新的视角，同时为开发支架等仿生材料提供了新的思路。本文总结了基质的硬度、配体浓度如何影...
相关推荐
-
2024年党建工作要点工作计划5篇供参考
2023-12-16 999+ -
2025年专题生活会对照带头严守政治纪律和政治规矩，维护党的团结统一等“四个带头方面”个人对照检查发言材料4110字文稿
2024-12-21 999+ -
2025年医保局局长、科技局领导干部专题“四个带头”方面对照检查材料2篇例文（附：反面典型案例剖析情况）
2025-02-09 454 -
2025年国有企业党委书记、市总工会党组书记民主生活会“四个带头”方面对照个人检查发言材料2篇文(附：典型案例、上年度整改+个人情况)
2025-02-09 505 -
2025年市委组织部部长、教育局党委书记生活会“四个带头”个人对照检查发言材料2篇文(典型案例+个人事项)
2025-02-09 623 -
2025年市财政局党组书记、局长、市检察院党组领导班子对照“四个带头”方面生活会个人对照检视发言材料2篇文（含以案为鉴反思、以案促改促治方面）
2025-02-09 506 -
市检察院党组、市财政局领导班子2025年生活会对照“四个带头”方面检视发言材料2份文【含以违纪行为为典型案例剖析】
2025-02-09 461 -
2025年市财政局领导对照“四个带头”生活会检视发言材料2篇例文【含以违纪行为为典型案例剖析】
2025-02-09 581 -
单位领导班子2025年聚焦“四个带头”生活会对照检查材料2篇文(含：典型案例剖析反思、落实意识形态责任制)
2025-02-09 753 -
2025年镇党委副书记、市科学技术局领导班子生活会对照“四个带头”检视材料2篇文【含违纪行为典型案例分析】
2025-02-09 255
作者：闻远设计
分类：其它行业资料
价格：免费
属性：8 页
大小：329.88KB
格式：DOCX
时间：2024-07-13
