3D 细胞-基质相互作用：为什么 ECM 的力学特性比我们想象的更重要？

探讨了细胞在三维环境中与细胞外基质 (ECM) 的相互作用及其对细胞行为的影响。三维细胞可以在所有方向上与 ECM 形成偶联，这会影响细胞信号传导。三维细胞偶联的结构与二维环境不同，通常不形成大型的焦点连接，而是形成与基质纤维共定位的纤维连接。三维环境中，细胞受到 ECM 的物理限制，限制的程度取决于 ECM 的孔径、粘弹性和降解性。细胞在三维环境中产生各种力，包括收缩力、突出力和体积力。这些力在细胞铺展、体积扩张和形态变化等过程中发挥重要作用。细胞产生的力在三维 ECM 中形成复杂的应力场，包括静水应力和偏应力。这些应力场影响细胞的形状和功能。细胞与 ECM 的相互作用是动态的，并伴随着正反馈回路，共同调节着三维细胞的行为。这种动态相互作用和正反馈回路对于三维细胞行为的发生至关重要。

嗨~大家好！这里是知识泥土，汲取知识营养。本文的主要内容包括以下内容：

1. 细胞-ECM偶联

2. 限制

3. 细胞-ECM力

4. 3D ECM应力

5. 细胞-ECM机械反馈

1. 细胞-ECM偶联：

与2D环境相比，3D环境中细胞可以与ECM在所有方向上形成偶联，这会影响细胞信号传导。例如，乳腺上皮细胞在2D培养中快速生长，但在3D培养中会形成生长停滞的、类似腺体的结构。

3D环境中细胞偶联的结构与2D环境不同。大多数3D水凝胶中，细胞通常不形成大型的焦点连接，而是形成与基质纤维共定位的纤维连接，并表现出粘附复合物蛋白质（如 paxillin和FAK）的磷酸化特征。

3D环境中，细胞通常缺乏横跨细胞长度的厚收缩肌动蛋白应力纤维，这是2D刚性配体密集底物上培养的细胞特征。

2. 限制：

与2D环境不同，3D环境中细胞体积和形状的变化受到周围ECM的物理限制。限制的程度取决于ECM的孔径、粘弹性和降解性。较大的孔径、粘弹性和塑性与降解性都降低限制程度。自然ECM具有所有这些特性，使细胞能够重塑基质并改变限制程度。

3. 细胞-ECM力：

在2D和3D环境中，肌动蛋白肌球蛋白产生的收缩力是产生力的主要方式。

在3D环境中，细胞还可以产生突出力，例如通过支化肌动蛋白网络的聚合。

任何导致3D限制性ECM形状变化的进程都必须产生某种组合的突出力和收缩力。

增加细胞体积的任何进程在限制性3D基质中也必然需要产生力。细胞体积是细胞存活和功能的关键参数，受到细胞内外渗透压和静压差的影响。

4. 3D ECM应力：

细胞对ECM的作用力在3D中产生复杂的力学应力场，这些应力场反过来又作用于其他细胞，并触发施加这些力的细胞的反馈机制。

这些力场可以用静水应力和偏应力来解释。静水应力是膨胀性的，或改变ECM体积，或从细胞的角度来看，反对或促进细胞体积变化。偏应力是变形性的，改变形状而不改变体积，是基质重塑和纤维排列所必需的。

5. 细胞-ECM机械反馈：

由于基质随着时间的推移而改变其特性，因此细胞与生理ECM的相互作用是动态的，这些变化是由于基质的粘弹性（松弛、蠕变）、塑性、降解和基质沉积造成的。

自然ECM由于粘弹性和降解性随时间而耗散力和流动，并在塑性作用下产生永久变形。

这些相互作用取决于力或变形的规模（或大小），因为ECM的非线性弹性会导致基质阻力随着力或变形的增大而增加。

因此，施加在3D微环境上的细胞力的时间尺度和大小是至关重要的。

细胞与基质的动态相互作用和正反馈回路调节着3D中的细胞行为。

总结：

3D环境中细胞-ECM相互作用的关键特征包括细胞在所有方向上形成偶联、受到限制、产生各种力以及形成复杂的应力场。这些相互作用是动态的，并伴随着正反馈回路，共同调节着3D中的细胞行为。

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.