《Nature》重磅綜述:生物醫用材料設計指導性文件!細胞外基質粘...

過去二十年的大量研究已經證實，細胞外基質(ECM)的彈性或剛度會影響基本的細胞過程，包括擴散、生長、增殖、遷移、分化和類有機物的形成。為了重現細胞在體內經歷的力學環境的影響，線性彈性聚丙烯醯胺水凝膠和包覆有ECM蛋白的聚二甲基矽氧烷（PDMS）彈性體被廣泛用於評估剛度的作用。然而，組織和細胞外基質不是線性彈性材料，它們表現出更複雜的力學行為，包括粘彈性（對載荷或變形的時間相關響應），以及機械塑性和非線性彈性。近日，史丹福大學Ovijit Chaudhuri，昆士蘭大學Justin Cooper-White，賓夕法尼亞大學Paul A. Janmey、Vivek B. Shenoy，哈佛大學David J. Mooney五位細胞力學和生物材料界大牛聯合在《Nature》上發表了題為「Effects of extracellular matrix viscoelasticity on cellular behaviour」的綜述文章，綜述了組織和細胞外基質的複雜力學行為，討論了細胞外基質粘彈性對細胞的影響，並描述了粘彈性生物材料在再生醫學中的潛在應用。基質粘彈性調節基本細胞過程，並可以促進在二維和三維培養微環境中用彈性水凝膠觀察不到的行為。這些發現提供了對細胞-基質相互作用以及相關機械敏感的分子通路的觀察，為下一代生物材料提出了設計指南。

細胞通過機械方式與ECM相互作用，包括通過牽拉（通常是通過基於整合素的粘附力耦合到ECM的基於肌動蛋白的收縮力）和通過推動（通常是通過肌動蛋白聚合和微管）來進行。ECM的機械性質介導這些相互作用，導致細胞機械轉導並影響細胞行為。

表1.與生物組織和細胞外基質有關的機械行為

複雜的組織和ECM力學

粘彈性是活組織和細胞外基質普遍特徵。作為對機械擾動的響應，粘彈性材料表現出瞬時彈性響應，這是純彈性固體的特徵，隨後是隨時間變化的機械響應和能量耗散或損失，這兩者的特徵都是粘性液體的特徵。粘彈性材料將響應於外部階梯應力或載荷的施加而以隨時間變化的方蠕變或變形，並且響應於階梯變形而經歷應力鬆弛或以隨時間變化的方式降低應力水平。粘彈性材料表現出介於純彈性和純粘性的響應，響應的同相分量被描述為儲存或彈性模量，而異相響應被描述為損耗或粘性模量。粘彈性材料中損耗模量與儲能模量之比的大小通常取決於頻率。粘彈性固體與粘彈性流體的區別在於，在恆定變形下長時間保持應力或彈性阻力，或長時間在載荷作用下達到平衡變形。流變學分析表明，軟組織通常在1 Hz時表現出損耗或粘彈性模量，通常約為其存儲模量的10％至20％或彈性模量。應力鬆弛測試顯示，軟組織，包括肝，乳房，肌肉，皮膚和脂肪組織-基本上在它們的阻抗比的時間尺度從幾十放寬到變形到幾百秒。

對於骨骼組織，軟組織和重組ECM，在大約1 Hz時的損耗模量和儲能模量，以及應力鬆弛測試

粘彈性的變化與疾病的進展有關。彈性模量的確定是觸診以識別僵硬腫瘤的基礎，不能有效地識別大多數類型的腦部腫瘤，而是通過磁共振彈性成像顯示其耗散特性的變化可以識別神經膠質瘤和其他類型腦部的邊緣原位腫瘤。此外，大腦粘彈性的變化與衰老和多發性硬化症有關。同樣，乳腺癌的進展與硬度和能量耗散的變化有關。此外，粘彈性的變化與其他類型的癌症或疾病有關，但有關這些數據的缺失很大，值得進一步研究。

粘塑性是粘彈性材料的一個子集：施加的應力超過材料的「屈服應力」時，它們會顯示出永久變形，而在去除應力時，它們至少會保持部分變形。這些材料對低於其屈服應力的載荷或變形具有粘彈性。組織和ECM的耗散特性是多種機制的基礎，其中一些機制也導致了粘塑性。組織由細胞、細胞外基質和細胞外液組成。細胞外基質由纖維蛋白聚合物網絡組成，典型的是1型膠原纖維網絡，夾雜著高度水合的、柔性的多糖和其他大分子，被認為是組織力學和粘彈性的關鍵調節因子。膠原或纖維網絡中的消散取決於將一種纖維與另一種纖維連接起來的鍵的性質。大多數網絡交聯是非共價的，由許多解離速率足夠快的弱鍵引起，以允許應力在相應的時間尺度上鬆弛，或允許材料蠕變。這些弱鍵也可以表現出取決於載荷的動力學，並且在機械變形或載荷下弱鍵的斷裂會耗散能量。基質變形後弱鍵的重整可以穩定材料的變形狀態，從而導致塑性變形。

由於組織主要由水組成，因此，ECM中的水流會引起大量的粘性耗散，稱為多孔彈性效應，這取決於組織的篩孔大小或孔隙率以及加載速率。除此之外，許多組織還表現出非線性彈性。

二維培養基與分子離合器

底物粘彈性對細胞的作用已通過利用具有獨立可調節粘彈性的生物材料的二維培養研究得到了有力證明，並且通過計算模型發現，二維培養中細胞基質剛度的主要傳感裝置被認為是肌球蛋白-肌動蛋白-粘附系統，也稱為馬達離合器模塊。其動力學已成功地解釋了彈性體上細胞的剛度傳感基材。模型顯示，對於軟質基材，在最佳粘度水平下可實現最大的細胞擴散，對于堅硬的基材，該模型預測粘度不會影響細胞擴散，因為所結合的離合器會因剛度增加而飽和。

應用於粘彈性基底的機械轉導的分子離合模型示意圖及分子離合器模型模擬預測最佳細胞擴散時的應力鬆弛

形成彈性，粘彈性但非粘塑性或粘彈性和粘塑性水凝膠的策略：

三維培養與機械約束

研究人員已經在三維培養基中研究了基質粘彈性的作用。已知培養物的尺寸會影響細胞結構、粘附、信號傳導和營養物質的運輸。三維培養支持多種行為，包括上皮形態發生，維持人類胚胎幹細胞的多能性以及軟骨細胞的分化狀態。培養維度也已專門涉及介導機械轉導。例如，儘管二維培養研究表明YAP轉錄調節因子是一種通用的機械換能器，但它在所有二維培養背景下介導了細胞對僵硬的反應，在剛性乳腺癌的三維培養模型中發現了不依賴YAP的機械轉導，這與對乳腺癌患者樣本的分析一致。

水凝膠的粘彈性和粘塑性對三維培養中細胞擴散，增殖，基質沉積和遷移的影響表明了與機械約束概念的聯繫。許多細胞過程涉及細胞體積，形狀或運動的變化。當這些處理在三個維度由周圍ECM或細胞物理地限制，該細胞被認為是機械地約束。公認的觀點是，孔徑和基體降解能力是機械限制的關鍵調節器。

由基質孔徑，基質可降解性和基質粘塑性共同決定的機械約束對三維培養細胞的影響

醫用粘彈性生物材料

這些發現的潛在應用在於再生醫學生物材料的設計。這個領域的起源是為了使那些因疾病或創傷而受損或丟失的組織和器官或工程替代品再生。生物材料通常用於細胞和藥物輸送，在空間上組織移植和駐留的細胞，調節基因表達，並在各種再生，組織和免疫工程應用中指導組織結構和功能。基質粘彈性對細胞增殖，基因表達，命運和遷移的明顯影響突出了其作為基於生物材料的應用的設計參數的重要性。

粘彈性是用於再生醫學的生物材料的重要設計參數。幹細胞在水凝膠中的移植是基質剛度調節再生的第一個證明，凝膠的粘彈性是影響其體內細胞命運的關鍵。隨後的研究通過將細胞移植到匹配的初始彈性模量但是應力鬆弛率不同的水凝膠中直接研究了粘彈性的影響。具有更快的應力鬆弛的水凝膠導致更大的骨骼再生。水凝膠的各種應用中，包括軟骨再生，聲帶再生和心肌梗塞後心肌病理重塑的改善也可能與它們的粘彈性能具有相關性。

粘彈性是否已成為一個隱藏變量，可以更廣泛地解釋生物材料領域過去的許多工作成為了一個關鍵問題。再生醫學中一些最廣泛使用和成功的生物材料都是物理交聯的水凝膠（膠原蛋白凝膠，透明質酸和超分子組裝物）。早期研究得出的結論是，降解速度更快的水凝膠比降解速度較慢的凝膠導致更多的組織再生。但是，這些研究利用聚合物分子量的變化來調節凝膠的溶解，這些變化也將改變材料的粘彈性，並且細胞活性介導的材料降解的可能會將局部基質轉變為更粘彈性的狀態。此外，細胞可能與它們自己沉積的基質分子相互作用，這可能提供粘彈性底物。顯然，未來將需要更多的研究來描述粘彈性，其他物理特性和化學組成在細胞和組織對介導組織修復和形成的各種生物材料反應中的特定作用。

設計用於再生醫學的粘彈性生物材料

展望

粘彈性是活組織和ECM的近乎普遍的特徵，並且細胞可以感知並響應ECM的粘彈性，從而挑戰了目前以剛度為中心的細胞-基質機械轉導的觀點。需要測量發育過程中組織以及成人和病理組織的粘彈性和粘塑性。儘管已經越來越了解基質粘彈性對二維培養中細胞鋪展的影響，但還必須在基質的其他物理線索的背景下考慮粘彈性的作用，包括幾何形狀，孔隙率和拓撲結構等。我們對粘彈性和粘塑性基體在三維環境上的機械傳導的機理了解仍然有限，需要創新工具和方法以更高的時空解析度來解密細胞-基質的相互作用。

展望未來，粘彈性很可能成為許多應用中的關鍵技術規範。粘彈性在調節各種細胞類型生物學中的作用，以便合理設計能夠促進組織再生的材料。生物材料的設計也可能需要將細胞感知的局部粘彈性特性與實現再生或工程組織機械穩定性所需的更大的組織尺度特性相分離。因此，設計具有可控粘彈性的生物材料可能會促進生物材料在再生醫學中的成功應用。

來源：高分子科學前沿

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