细胞如何感受到底料的“粘”与“弹”？揭秘粘弹性与细胞行为的奥秘

在二维（2D）细胞培养中，研究者们发现细胞对培养底物的粘弹性（即材料的粘性和弹性）非常敏感，并建立了“分子离合器”模型来解释这一现象。该模型揭示了细胞如何感知和响应底物的粘弹性，并为我们理解细胞与环境的相互作用提供了新的视角。本文主要内容包括：

1. 细胞与底物相互作用

2. 细胞如何感知底物的粘弹性

3. 粘弹性模型的应用

*本文只作文献阅读笔记*

1. 细胞与底物相互作用

细胞与培养底物之间的相互作用是细胞培养的基础。细胞通过与底物上的蛋白聚糖和胶原蛋白结合，形成粘附复合物，从而获得生存和功能所需的支撑。这种粘附是细胞与底物相互作用的起点，并决定了细胞在底物上的分布和形态。

整合素是细胞表面的一类重要受体，它们可以与底物上的蛋白聚糖和胶原蛋白结合，形成粘附复合物。整合素的激活可以触发下游信号通路，影响细胞的生长、增殖、分化和迁移等行为。

细胞骨架是细胞内部的支架结构，由肌动蛋白、肌球蛋白和其他蛋白质组成。细胞骨架可以产生和传递力，并参与细胞与底物的相互作用。例如，细胞骨架可以产生张力，推动细胞向前移动，也可以抵抗外力，保持细胞的形态和稳定性。

2. 细胞如何感知底物的粘弹性

细胞如何感知底物的粘弹性，并做出相应的响应呢？研究者们提出了“分子离合器”模型来解释这一现象。

2.1 分子离合器模型

该模型认为，细胞与底物的相互作用类似于一个“分子离合器”，其中肌动蛋白凝胶和细胞骨架张力是离合器的“驱动装置”，整合素粘附则是离合器的“离合器”。细胞通过调节离合器的“粘合”程度来感知底物的粘弹性。

驱动装置：肌动蛋白凝胶和细胞骨架张力：肌动蛋白凝胶是细胞骨架的重要组成部分，它可以产生和传递力。细胞骨架张力可以影响细胞的形状、运动和功能，并参与细胞与底物的相互作用。

离合器：整合素粘附：整合素粘附是细胞与底物之间的一种强有力结合，它决定了细胞在底物上的分布和形态。整合素粘附的强度可以影响细胞与底物的相互作用，并影响细胞的行为。

2.2 粘弹性对细胞行为的影响

粘性：粘性底物会导致细胞骨架张力增加，从而使细胞更加僵硬，并影响细胞的运动和形态。例如，在粘性底物上培养的细胞，其细胞骨架张力更大，细胞形状更圆，运动速度更慢。

弹性：弹性底物会导致细胞骨架张力减少，从而使细胞更加柔软，并促进细胞的伸展和迁移。例如，在弹性底物上培养的细胞，其细胞骨架张力更小，细胞形状更扁平，运动速度更快。

2.3 粘弹性模型的验证

实验研究：研究者们通过在胶原蛋白包被的聚丙烯酰胺水凝胶上培养人骨髓间充质干细胞（hMSCs），发现当底物的粘弹性增加时，细胞的伸展、增殖和分化能力都会增强。例如，当底物的粘弹性增加时，细胞的细胞骨架张力增加，细胞形状更扁平，伸展能力更强。

计算模拟：研究者们开发了基于分子离合器模型的计算机模拟，发现当底物的粘弹性适中时，细胞可以获得最大的伸展，因为此时底物的松弛时间介于离合器的“粘合”时间和“解离”时间之间。

2.4 粘弹性模型的意义

解释细胞行为：粘弹性模型可以解释为什么细胞对不同粘弹性的底物表现出不同的行为，并揭示了细胞如何通过调节其与底物的相互作用来适应不同的环境。

指导生物材料设计：粘弹性模型可以指导生物材料的设计，以便更好地模拟体内ECM的特性，并促进细胞生长和功能。

3. 粘弹性模型的应用

粘弹性模型在细胞生物学、再生医学和生物材料等领域有着广泛的应用。

细胞生物学： 粘弹性模型可以帮助我们理解细胞在不同环境下的行为，例如细胞迁移、细胞增殖和细胞分化等。

再生医学：粘弹性模型可以帮助我们设计更好的生物材料，例如组织工程支架、人工血管和人工皮肤等，以便更好地促进细胞生长和功能。

生物材料： 粘弹性模型可以帮助我们理解生物材料的特性，例如生物材料的力学性能、生物相容性和生物降解性等。

总结：

2D 细胞培养研究表明，细胞对培养底物的粘弹性非常敏感，并可以通过分子离合器模型来解释这一现象。该模型揭示了细胞如何感知和响应底物的粘弹性，并为生物材料的设计提供了新的思路。

参考文献

Chaudhuri O, et al. Effects of extracellular matrix viscoelasticity on cellular behaviour. Nature. 2020 Aug;584(7822):535-546.