细胞外基质 (ECM) 中主要成分的力学特性及它们如何影响细胞行为?

嗨，大家好！向大家介绍细胞外基质 (ECM) 中主要成分的力学特性，这些特性对细胞的机械感受和行为至关重要。我们将探讨胶原蛋白-1 (Col-1)、纤维蛋白、基底膜 (BM)、透明质酸 (HA)、纤连蛋白以及其他 ECM 蛋白质的力学特性，以及它们如何影响细胞行为。

胶原蛋白-1 (Col-1)

ECM 的“骨架”主要由胶原蛋白-1 (Col-1) 组成，其纤维状结构为细胞提供机械支持。Col-1微纤维具有高达1.2 GPa 的刚度，其刚度随纤维的直化和螺旋展开而增加。这些微纤维进一步组装成微孔凝胶，其弹性模量在10s到100s Pa之间，比许多软组织（如肌肉）的刚度低得多。

Col-1网络的力学特性并非静态，而是表现出复杂的非线性弹性、粘弹性和可塑性。在低应变下，Col-1网络通过单个纤维的弯曲来抵抗外部机械加载或变形。然而，当应变增加时，Col-1网络会变得更加僵硬，因为纤维重新排列并重新取向，导致刚度显著增加。

Col-1 网络的粘弹性和可塑性归因于其复杂的交联结构。Col-1网络由纤维内部的弱交联、纤维之间的物理缠结和共价交联组成。赖氨酰氧化酶和晚期糖基化终产物等酶促进共价交联，增加刚度。然而，这些交联也是可断裂的，在施加力的作用下会解离，导致纤维长度增加或重新排列，并产生蠕变和应力松弛等时间依赖性响应。

最终，当细胞从ECM中脱离时，弱交联的重新形成会导致永久变形，从而将粘弹性和可塑性联系起来。这些力学特性使得Col-1成为细胞机械感受和细胞行为调节的关键因素。

纤维蛋白

纤维蛋白是血栓的主要成分，其纤维网络结构与Col-1相似，但具有更低的刚度。纤维蛋白凝胶的弹性模量在100s Pa到低kPa之间，表现出与Col-1相似的粘弹性、应变硬化和可塑性机制。纤维蛋白网络通过弱物理和共价交联（由因子 XIII 促进）形成。

细胞通过α3β2整合素与纤维蛋白结合。纤维蛋白凝胶在伤口愈合中发挥重要作用，因为它们可以促进细胞的粘附、迁移和增殖，并帮助填充伤口。

基底膜 (BM)

BM是一种薄而复杂的ECM，分隔上皮和内皮细胞与周围的结缔组织。BM由两个主要层组成：网状层（细胞侧）和IV型胶原蛋白（基质侧），它们通过粘附蛋白 entactin 相连接。

BM 具有纳米孔结构，其刚度范围在 100s Pa 到 10s kPa 之间，表现出非线性弹性。细胞通过 β1 含有整合素和 α6β4 整合素与网状层中的层粘连蛋白结合。

BM 的力学特性对细胞的粘附、迁移和分化至关重要。例如，BM的刚度与肿瘤转移形成相关。此外，重组的 BM (rBM) 矩阵被广泛用于3D培养模型，以模拟上皮细胞的生长和功能。

透明质酸 (HA)

HA是一种线性多糖，存在于几乎所有的组织中，与Col-1等其他ECM成分形成网络。HA是一种水合分子，其聚合物链上的负电荷可以吸引水，并提供强大的压缩阻力。细胞通过CD44和RHAMM受体与HA结合。

虽然HA不直接与整合素结合，但它参与机械转导和微突起的形成。微突起是细胞膜上的微小结构，可以与ECM产生粘附，并帮助细胞迁移。HA的分子量与组织力学和机械转导之间的联系尚不清楚，但HA的变化与衰老和疾病（如骨关节炎和癌症）相关。

纤连蛋白

纤连蛋白是一种糖蛋白，具有 RGD 序列，可以与β1和β3含有整合素的细胞结合。纤连蛋白不形成纤维网络，而是依赖于细胞介导的组装。细胞施加的力打开纤连蛋白分子中的隐蔽域，介导交联，导致网络形成。

纤连蛋白在细胞粘附、迁移和细胞外基质形成中发挥重要作用。例如，纤连蛋白涂层被广泛用于2D培养研究，而富含纤连蛋白的基质可以由成纤维细胞形成。

其他 ECM 蛋白质

Tenascin-C：在胶质母细胞瘤中参与机械转导。

Col-VI 和 Col-XII：与乳腺癌进展相关。

组织中的复合网络

组织通常由多种ECM蛋白质、网络和细胞组成，其力学特性由不同成分之间的相互作用决定。复合材料，如HA和Col-1凝胶，表现出比单一成分更复杂的力学特性。这些复合网络具有更广泛的力学响应，可以更好地模拟体内组织的复杂性。

组织模拟人工 ECM 材料

重组的ECM材料在3D培养中存在局限性，例如刚度太低，无法独立调节力学特性。工程水凝胶成为强大的3D培养平台，具有生物相关的力学和信号，以及可独立调节的特性。这些水凝胶可以模拟不同 ECM 成分的力学特性，并允许研究人员精确控制细胞行为。

总结

ECM 成分的力学特性对其网络结构和功能至关重要，从而影响细胞的机械感受和行为。理解这些特性如何相互作用，以及它们如何影响细胞在3D中的行为，对于深入了解机械转导机制至关重要。此外，这些知识可以帮助开发新的治疗方法，例如使用人工ECM材料来促进组织再生或治疗疾病。

参考文献

Saraswathibhatla A, et.al. Cell-extracellular matrix mechanotransduction in 3D. Nat Rev Mol Cell Biol. 2023 Jul;24(7):495-516.