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進程，包括擴散、生長、增殖、遷移、分化和類器官形成。線彈性聚丙烯醯胺水凝膠和塗有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，此類實驗的結果通常被認為是重現了細胞在體內所經歷的力學環境的影響。但組織和ECM並不是線彈性材料，它們表現出更複雜的力學行為，包括粘彈性（對載荷或變形隨時間變化的響應）、機械塑性和非線性彈性。在此，研究者回顧了組織和ECM的複雜力學行為，討論了ECM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。最近的研究表明，基質的粘彈性調節了相同的基本細胞進程，並能促進在二維和三維培養微環境中用彈性水凝膠所沒能觀察到的行為。這些發現為了解細胞-基質相互作用以及這些相互作用如何不同地調節細胞內力學敏感的分子路徑提供了見解。這些結果為下一代生物材料的設計提供了指導，可用於匹配組織、ECM力學性能的體外組織模型和再生醫學的應用。
相關綜述以題為「Effects of extracellular matrix viscoelasticity on cellular behaviour」發表於Nature雜誌，史丹福大學的OvijitChaudhuri，昆士蘭大學的Justin Cooper-White，賓夕法尼亞大學的Paul A. Janmey和Vivek B. Shenoy，以及哈佛大學的David J. Mooney均為通訊作者。
生物組織和ECM表現出複雜的、隨時間和速率變化的力學行為，包括粘彈性、孔隙彈性、塑性和非線性彈性的結合。既粘彈性又塑性的材料被認為是粘塑性的。
Box 1圖 與生物組織和細胞外基質有關的機械行為：a.線彈性、b.非線性彈性、c.粘彈性、d.孔隙彈性、e.塑性
細胞通過機械方式與ECM相互作用，包括通過牽拉（通常是通過基於肌動蛋白的收縮耦合到通過基於整合蛋白粘附的ECM上）和推動（通常是通過肌動蛋白聚合和微管）來進行。ECMs的力學特性介導了這些相互作用，從而導致細胞的力學傳導並影響細胞行為。
圖1 細胞和細胞外基質之間的機械相互作用
粘彈性已被發現是活組織和ECM的一個接近普遍的特徵。在對機械擾動的響應中，粘彈性材料表現為純彈性固體的瞬時彈性響應，接著是隨時間變化的機械響應和能量耗散或損失，這兩種特性都是粘性液體的特性。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由頻率決定。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。粘彈性固體的日常例子包括果凍（明膠）、應力球和麵團，而橡皮泥就是粘彈性流體的一個例子。包括大腦在內的很多軟組織都是粘彈性的。流變學分析表明，軟組織通常在1 Hz時表現出損耗或粘性模量，通常約為其存儲或彈性模量的10％至20％。應力鬆弛測試顯示，包括肝臟、乳房、肌肉、皮膚和脂肪組織在內的軟組織，在數十到數百秒的時間內，對變形的抵抗能力大幅鬆弛。即使是較硬的骨骼組織，包括骨、肌腱、韌帶和軟骨，也是粘彈性的，其損耗模量約為儲存模量的10%。不同發育階段的胚胎和再生結構，如破裂的血腫或血塊，也表現出粘彈性。
圖2 生物組織和細胞外基質是粘彈性的，在變形時表現出應力鬆弛
一組利用獨立可調粘彈性特性的生物材料的二維培養研究已有力證明了基質的粘彈性對細胞的影響。為了在用於細胞培養的簡化生物工程材料中重現組織的彈性和耗散特性，研究者闡述了幾種基於高分子物理原理的方法。此外也有基於水凝膠材料形成的方法，在聚合物之間形成弱（動態或物理）交聯。
Box 2圖 形成三種不同特性水凝膠的策略：彈性、粘彈性但不粘塑性、粘彈性且粘塑性
一個計算模型被引入來解釋細胞基質粘彈性對細胞行為的影響。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，也被稱為馬達離合器模塊，其動力學原理已經成功地解釋了細胞在彈性基質上的剛度傳感。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；對於較硬基材，該模型預測粘度不會影響細胞擴散，因為黏度的升高會使結合的離合器飽和。
圖3 力學傳導分子離合器模型從二維角度解釋了基質粘彈性對細胞擴散的影響
研究者還討論了基質粘彈性在三維培養中的作用。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力學傳導。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力學換能器，它在所有二維培養背景下介導了細胞對剛度的反應，但在剛度誘發的乳腺癌三維培養模型中發現了不依賴YAP的力學傳導，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這一概念的聯繫。許多細胞過程涉及細胞體積，形狀或運動的變化。當這些過程中受到周圍ECM或細胞三維物理限制時，這些細胞被認為是受機械限制的。公認的觀點是，孔徑和基質降解能力是機械限制的關鍵調節器。對於剛性或彈性孔隙，基質降解是細胞克服限制和遷移的必要條件。然而，只要有足夠的粘彈性或粘塑性，細胞就能克服限制而增大大小，沉積基質，在擴散或有絲分裂時改變形態，並遷移。這提供了一個新的視角，即除了孔隙大小和降解性之外，基質力學粘塑性也可決定約束。在細胞基質重構過程中，這些特性是相互耦合的：粘塑性基質的細胞重構改變了孔隙大小，基質降解改變了其粘彈性特性，基質結構的變化可能會影響粘塑性和降解性。且基質的重塑和沉積作用往往隨粘塑性的增加而增強，細胞響應的機械微環境是依賴於時間的，細胞基質的相互作用成為一個動態的、潛在的迭代過程。
圖4 三維培養中基質粘塑性介導機械約束
基質粘彈性對細胞增殖、基因表達、命運和遷移的顯著影響，突出了其作為生物材料應用設計參數的重要性。事實上，FDA批准的組織工程產品（例如，移植物工程皮膚，注入骨再生裝置）通常是基於粘彈性基質。材料加工技術的進步，如3D列印技術，通常使用粘彈性材料，使組織和器官的結構和性能得到更準確的再現。利用工程組織作為發展和病理學基礎研究的改進模型、作為毒理學分析的試驗床和改進的藥物篩選也使人們對發展微生理系統（例如晶片上的組織）和培養器官產生了極大的興趣。與標準的二維細胞培養模型相比，這些模型能更真實地再現組織和器官生物學，同時也能使經典的臨床前研究的人類生物學（相對於動物生物學）研究成為可能。有直接的證據和大量的相關數據表明，粘彈性是再生醫學用生物材料的重要設計參數。第一個證明基質硬度調節再生的是幹細胞在粘彈性水凝膠中的移植。在這些凝膠中，硬度對幹細胞命運的影響與細胞牽引力重塑組成水凝膠的聚合物的能力有關，這意味著凝膠的粘彈性是它們在體內影響細胞命運的關鍵。也有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。
粘彈性是活組織和ECM的一個近乎普遍的特徵，並且越來越多證據表明細胞感知和響應ECM的粘彈性特性，挑戰了目前以剛度為中心的細胞基質力學傳導觀點。生物材料設計歷來不考慮粘彈性的重要性，但從現在起粘彈性可能是一個關鍵的技術規範在許多應用程式中。可能包括多能幹細胞、組織駐留幹細胞和分化細胞、免疫細胞等多種細胞類型的再生調控生物學，也需要明確粘彈性在調控生物學中的作用，以合理設計增強組織再生的材料。生物材料的設計還可能需要將細胞感知到的局部粘彈性特性與更大的、組織尺度的特性脫鉤，以實現再生或工程組織的機械穩定性。因此，具有可控粘彈性的生物材料的出現可能會改變再生醫學中生物材料應用的成功程度。
圖5 應用於再生醫學的粘彈性生物材料設計
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論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2612-2
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