李 倩，朱曉嫚，王紀(jì)浩，謝巖黎*

(1.河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，中國(guó)河南鄭州450001；2.河南省糧油食品安全檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)河南鄭州450001；3.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心，中國(guó)安徽合肥230031)

在生命體中,從最小的單元——細(xì)胞到高級(jí)的組織、器官,它們?cè)谧R(shí)別及相互作用過程中不僅存在著生物化學(xué)反應(yīng),而且存在著力學(xué)傳導(dǎo),這些活動(dòng)廣泛參與并影響著有機(jī)體的生長(zhǎng)、發(fā)育、分化等生理及病理階段。生物力學(xué)的概念最早由蘇格蘭科學(xué)家D’Arcy Thompson在其“生長(zhǎng)和形式上(On Growth and Form)”的報(bào)告中提出[1],之后越來越多的物理學(xué)家和生物學(xué)家投入到生物力學(xué)的研究工作中。隨著生物力學(xué)的發(fā)展,力學(xué)傳導(dǎo)的研究對(duì)象已經(jīng)從部分、簡(jiǎn)單的環(huán)境轉(zhuǎn)向整體、復(fù)雜的生理環(huán)境,其研究手段也已經(jīng)從單一的物理學(xué)方法轉(zhuǎn)向與生物化學(xué)和分子遺傳學(xué)等方法聯(lián)用,這些都為深入理解力學(xué)信號(hào)如何轉(zhuǎn)換為生物學(xué)信號(hào)提供了重要基礎(chǔ)。

目前,細(xì)胞學(xué)效應(yīng)的研究熱點(diǎn)集中在細(xì)胞的黏附、遷移和分化,研究?jī)?nèi)容包括黏著斑和骨架蛋白質(zhì)構(gòu)象及分布的變化、細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)的合成和重構(gòu)以及細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等。微環(huán)境產(chǎn)生的力學(xué)因素包括靜態(tài)基質(zhì)的硬度、拓?fù)鋵W(xué)性質(zhì),以及流動(dòng)環(huán)境的剪切應(yīng)力、拉伸、壓力等。細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)與力學(xué)微環(huán)境密切相關(guān)。已有研究表明,不同組織、細(xì)胞發(fā)揮生物學(xué)活性的最佳基質(zhì)彈性模量不同,如脂肪、腦細(xì)胞為100 Pa左右,肌肉組織為1 kPa,結(jié)締組織為10 kPa,成骨細(xì)胞為100 MPa到15 GPa[2]。除了硬度之外,ECM蛋白質(zhì)、基質(zhì)是否連續(xù)、研究體系的維度(二維或三維)等都對(duì)細(xì)胞的黏附、遷移和分化產(chǎn)生重要的影響(圖1)。本文將重點(diǎn)闡述靜態(tài)基質(zhì)中的力學(xué)微環(huán)境對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的黏附、遷移、分化的影響以及細(xì)胞對(duì)ECM的力學(xué)反饋。

1 基質(zhì)微環(huán)境力學(xué)對(duì)細(xì)胞黏附的影響

首先,基質(zhì)硬度影響細(xì)胞的黏附,黏著斑和細(xì)胞骨架蛋白質(zhì)可直接反映黏附的強(qiáng)度[3]。早期的研究發(fā)現(xiàn),交聯(lián)度高的膠原蛋白(彈性模量30～100 kPa)上成纖維細(xì)胞的黏著斑穩(wěn)定,黏附強(qiáng)度高,而柔軟的凝膠(彈性模量在1 kPa左右)表面黏著斑呈現(xiàn)游離的、動(dòng)態(tài)的變化,黏附強(qiáng)度低[2]?；|(zhì)硬度與黏附強(qiáng)度的正相關(guān)不僅存在于天然的ECM蛋白質(zhì)上,也存在于人工合成的多聚物凝膠上。Prager-Khoutorsky等[4]制備了不同彈性模量的聚二甲硅氧烷(polydimethysiloxane,PDMS)和聚丙烯酰胺(polyacrylamide,PAM),發(fā)現(xiàn)黏附在高硬度(5 kPa)多聚物上的成纖維細(xì)胞內(nèi)黏著斑小且數(shù)量多,肌動(dòng)蛋白分布散亂,而在彈性模量高達(dá)2 MPa的凝膠上,細(xì)胞內(nèi)的黏著斑面積大、數(shù)量少,細(xì)胞骨架貫穿整個(gè)細(xì)胞。因此,黏著斑的聚集程度和細(xì)胞骨架的形貌可作為細(xì)胞黏附強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)。此外,基質(zhì)的硬度亦影響?zhàn)ぶ叩某墒爝^程。相關(guān)研究報(bào)道,在硬度高的表面,細(xì)胞呈現(xiàn)各向同性的鋪展,黏著斑由初始形成到成熟的過程重復(fù)出現(xiàn)[5],而在硬度低的表面,只能檢測(cè)到細(xì)胞的初始黏附[6]。Jalali等[7]用原子力顯微鏡進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在硬度為218.85 Pa、385.58 Pa和933.2 Pa的PAM上,內(nèi)皮細(xì)胞的最大解離力分別為0.28 nN、0.94 nN和1.99 nN,直接證明了硬度和黏附強(qiáng)度之間的量化關(guān)系。Rigato等[8]用原子力顯微鏡掃描發(fā)現(xiàn),在硬度高的表面,細(xì)胞內(nèi)聚集有更緊密的肌動(dòng)蛋白纖維束。總的來講,基質(zhì)硬度作用于黏著斑和細(xì)胞骨架蛋白質(zhì),引起它們的形貌和組裝變化,從而共同影響細(xì)胞的黏附強(qiáng)度。

圖1 基質(zhì)微環(huán)境力學(xué)對(duì)細(xì)胞黏附、遷移和分化的影響Fig.1 The influence of matrix microenvironment mechanics on cell adhesion,migration and differentiation

其次,細(xì)胞黏附受ECM蛋白質(zhì)的調(diào)控[9～12]。作為纖連蛋白序列中研究較多的小肽RGD(arginine-glycine-aspartic acid),它對(duì)成纖維細(xì)胞黏附的影響表現(xiàn)在其間距上。Arnold等[9]用納米光刻技術(shù)制備了納米圖案化的RGD,發(fā)現(xiàn)當(dāng)RGD的間距在58～73 nm時(shí),細(xì)胞黏著斑穩(wěn)定,而當(dāng)距離大于73 nm時(shí),細(xì)胞黏附能力減弱,這是由于過大的配體位點(diǎn)間距使整合素?zé)o法聚集成簇,導(dǎo)致黏著斑形成異常,從而引起細(xì)胞骨架蛋白質(zhì)無法與其有效錨定。Ma等[13]運(yùn)用微圖案化技術(shù)也發(fā)現(xiàn),x-y軸上修飾的各向異性纖連蛋白促進(jìn)了間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附。我們制備了纖連蛋白和RGD修飾的鈦合金,通過對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞的單細(xì)胞力譜展開研究,發(fā)現(xiàn)在纖連蛋白III8～10結(jié)構(gòu)域修飾的表面,細(xì)胞解離力比在RGD修飾的表面大,因此,我們推測(cè)基質(zhì)硬度相似時(shí),細(xì)胞黏附強(qiáng)度與蛋白質(zhì)提供的黏附位點(diǎn)密度有關(guān)[14]。

最后,細(xì)胞黏附受到基質(zhì)硬度和蛋白質(zhì)的共同調(diào)控,但過高的硬度和配體濃度并不能使黏著斑持續(xù)增大。Oria等[15]指出,當(dāng)基底的彈性模量在10～100 kPa時(shí),間距100 nm的RGD上人乳腺肌上皮細(xì)胞的黏著斑最大,200 nm間距的配體上黏著斑最小,而當(dāng)基底彈性模量小于10 kPa時(shí),大間距的配體反而促進(jìn)細(xì)胞的黏附。此外,計(jì)算機(jī)模擬和細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)都表明,基質(zhì)的高硬度外加高配體濃度使黏附區(qū)域中整合素的數(shù)量達(dá)到飽和,黏附力無法重新分配,從而導(dǎo)致黏著斑瓦解。因此,硬度與配體濃度如何精確調(diào)控細(xì)胞黏附尚需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并且細(xì)胞類型與力學(xué)微環(huán)境的關(guān)聯(lián)也需要深入探討。

2 基質(zhì)微環(huán)境力學(xué)對(duì)細(xì)胞遷移的影響

不同類型的細(xì)胞在相同的基質(zhì)中遷移速度不同,同一類型細(xì)胞的遷移又受到其力學(xué)微環(huán)境(如硬度、基質(zhì)的連續(xù)性和骨架蛋白質(zhì)拉應(yīng)力等)的影響。同時(shí),細(xì)胞的遷移產(chǎn)生牽引力,在細(xì)胞外基質(zhì)重建及細(xì)胞形態(tài)調(diào)控中發(fā)揮重要的作用,與正常生理狀態(tài)的維持和病理狀態(tài)的發(fā)生密切相關(guān)。

2.1 細(xì)胞遷移的影響因素

普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為硬度高的基質(zhì)促進(jìn)細(xì)胞遷移,即細(xì)胞遷移有趨硬性,這在多種類型的細(xì)胞(如成纖維細(xì)胞、白細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞等)中均有發(fā)現(xiàn)[16～17]。特別是腫瘤細(xì)胞,其發(fā)生和轉(zhuǎn)移過程中局部基質(zhì)硬度的變化范圍非常大(170 Pa～1.2 kPa)[18],因此,研究硬度與腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移之間的關(guān)系尤為重要,是近些年來的研究熱點(diǎn)。已有研究表明,卵巢癌細(xì)胞SKOV3能夠在PAM表面從低硬度(3 kPa)區(qū)域遷移至高硬度(25 kPa)區(qū)域[19],神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞U251在PAM上的最佳遷移硬度大約是100 kPa[20]。此外,基質(zhì)的硬度范圍對(duì)癌細(xì)胞的遷移也有重要的影響,例如:在不同硬度范圍的PDMS上肺腺癌細(xì)胞A549的遷移狀態(tài)和遷移率均有所不同,在低硬度范圍(27～107 kPa)內(nèi),細(xì)胞呈獨(dú)立運(yùn)動(dòng)形式,遷移速度快,總遷移距離長(zhǎng),而在高硬度范圍(1.5～4.8 MPa)內(nèi),細(xì)胞呈群體運(yùn)動(dòng),遷移速度很慢,總遷移距離短[21]。在此基礎(chǔ)上,Duchez等[22]研究了多種類型的癌細(xì)胞,包括惡性膠質(zhì)瘤細(xì)胞U87-MG和T98G、乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231以及纖維肉瘤細(xì)胞HT1080,發(fā)現(xiàn)它們僅在低硬度范圍(2～7 kPa)內(nèi)的PAM上有明顯的遷移,而在高硬度范圍內(nèi)無明顯遷移。除此之外,也有研究表明干細(xì)胞的趨硬性和硬度的梯度范圍相關(guān)。Hadden等[23]發(fā)現(xiàn)脂肪源干細(xì)胞在基質(zhì)硬度梯度為2.9～8.2 kPa/mm時(shí),表現(xiàn)出趨硬性,而當(dāng)基質(zhì)的硬度梯度在0.5～2.9 kPa/mm時(shí),并無趨硬性。

其次,基質(zhì)的連續(xù)性對(duì)細(xì)胞遷移有重要的影響,它是通過作用于黏著斑的解體、細(xì)胞骨架蛋白質(zhì)的動(dòng)力學(xué)變化[24～25]來實(shí)現(xiàn)的。連續(xù)基質(zhì)是指基質(zhì)表面缺口很小,與細(xì)胞相比可以忽略不計(jì),而不連續(xù)基質(zhì)上的缺口往往達(dá)到上百納米。二維連續(xù)基質(zhì)上細(xì)胞的黏附產(chǎn)生正反饋,促進(jìn)肌動(dòng)蛋白的動(dòng)力學(xué)組裝,加快細(xì)胞前端偽足的運(yùn)動(dòng),而在非連續(xù)基質(zhì),細(xì)胞的遷移無法通過黏附得以增強(qiáng)[16]。三維結(jié)構(gòu)內(nèi)部細(xì)胞的遷移更為復(fù)雜。在不連續(xù)的三維結(jié)構(gòu)內(nèi)部,L?mmermann等[26]發(fā)現(xiàn),將整合素全部敲除之后,白細(xì)胞在膠原蛋白三維體系中的運(yùn)動(dòng)未受影響。因此,在微環(huán)境中,細(xì)胞的遷移是個(gè)復(fù)雜的過程,然而不可否認(rèn)的是,黏著斑與細(xì)胞骨架蛋白質(zhì)之間并不總是協(xié)同的相互作用。

2.2 細(xì)胞遷移對(duì)力學(xué)微環(huán)境的影響

Harris等[27]于1980年發(fā)現(xiàn)了硅膠表面黏附細(xì)胞產(chǎn)生的褶皺,并首次提出了牽引力的概念。牽引力是細(xì)胞對(duì)基質(zhì)產(chǎn)生的作用力,是研究細(xì)胞遷移的重要參數(shù),同時(shí),細(xì)胞遷移過程中還伴隨有細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的核-質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、表型的轉(zhuǎn)化以及ECM的重建。力學(xué)微環(huán)境與細(xì)胞遷移之間的相互作用廣泛參與一系列生理和病理反應(yīng),如B細(xì)胞免疫應(yīng)答、內(nèi)穩(wěn)態(tài)維持、組織纖維化、癌癥轉(zhuǎn)移及心血管疾病發(fā)生等。已有研究報(bào)道,當(dāng)PAM凝膠的硬度(0.5～1 kPa)與抗原遞呈細(xì)胞接近時(shí),B細(xì)胞發(fā)生免疫應(yīng)答而被激活,產(chǎn)生10～20 nN的牽引力[28]。在轉(zhuǎn)錄因子的定位上,Mckenzie等[19]發(fā)現(xiàn),卵巢癌細(xì)胞SKOV3向高硬度的PAM上轉(zhuǎn)移時(shí)轉(zhuǎn)錄因子YAP1從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核。細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化研究發(fā)現(xiàn),高硬度的PAM(25 kPa)使胰腺星狀細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)化,分泌更多的ECM,導(dǎo)致組織纖維化[29]。Ondeck等[30]在可調(diào)控硬度的異丁烯酸甲酯(methacrylated hyaluronic acid,MeHA)上觀測(cè)到乳腺上皮細(xì)胞的癌變過程,并且這個(gè)過程還和孵育時(shí)間密切相關(guān)。人們通過對(duì)多種病變組織細(xì)胞表型和細(xì)胞骨架蛋白質(zhì)進(jìn)行鑒定發(fā)現(xiàn),成纖維細(xì)胞通常去分化為肌成纖維細(xì)胞,分化后的細(xì)胞一方面分泌大量的ECM蛋白質(zhì),另一方面通過細(xì)胞表面蛋白質(zhì)聯(lián)合ECM蛋白質(zhì)對(duì)微環(huán)境產(chǎn)生巨大的拉力,從而共同提高局部組織的硬度[31～32]。病理組織的細(xì)胞牽引力實(shí)驗(yàn)也表明,與正常組織細(xì)胞相比,類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和心肌梗塞組織中的B細(xì)胞和心肌細(xì)胞都產(chǎn)生了更大的牽引力[28,33]。因此,高硬度的基質(zhì)引起細(xì)胞牽引力增大,是組織纖維化的原因之一。有趣的是,較大的牽引力并不總是引發(fā)組織纖維化,Elosegui-Artola等[12]提出,雖然局部的病變組織硬度升高,但是細(xì)胞卻產(chǎn)生了較小的牽引力,使組織又恢復(fù)正常的硬度,從而維持機(jī)體的內(nèi)穩(wěn)態(tài)。值得注意的是,基質(zhì)硬度和牽引力之間的非絕對(duì)正相關(guān)關(guān)系,不僅存在于二維平面上,也被報(bào)道存在于三維體系中。Steinwachs等[34]發(fā)現(xiàn)乳腺癌細(xì)胞在0.6～2.4 mg/mL的膠原蛋白凝膠中的移動(dòng)速度均勻,產(chǎn)生的牽引力強(qiáng)弱變化規(guī)律,不受硬度的影響。此外,在硬度相同的3D膠原蛋白中,Koch等[35]通過比較幾種不同的癌細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)雖然侵襲性乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231和肺癌細(xì)胞A-125較非侵襲性的MCF-7和A-549細(xì)胞產(chǎn)生的牽引力大,但是非侵襲性外陰癌細(xì)胞A-431卻產(chǎn)生了最大的牽引力。因此,牽引力的大小并不能作為衡量癌細(xì)胞侵襲力的唯一指標(biāo)。

綜上所述,細(xì)胞遷移受到復(fù)雜環(huán)境的影響,硬度與牽引力、組織纖維化之間的關(guān)系尚無定論,細(xì)胞牽引力的改變能否作為組織病變的早期檢測(cè)指標(biāo)之一也不明確。因此,研究細(xì)胞的遷移需要綜合考慮所用細(xì)胞類型、基底硬度、二維或三維結(jié)構(gòu)等多重因素。

3 基質(zhì)微環(huán)境力學(xué)對(duì)細(xì)胞分化的影響

基底的硬度除了能夠誘導(dǎo)細(xì)胞短期的黏附和遷移之外,還能夠長(zhǎng)期影響細(xì)胞分化[36～37]。由于凝膠本身并不具備細(xì)胞黏附位點(diǎn),因此在實(shí)驗(yàn)中往往以物理吸附或者共價(jià)修飾的方法結(jié)合ECM蛋白質(zhì),如纖連蛋白、膠原蛋白等。大多數(shù)的觀點(diǎn)認(rèn)為,基質(zhì)的局部硬度與干細(xì)胞分化方向之間存在正相關(guān)。Sun等[38]發(fā)現(xiàn)玻連蛋白覆蓋的PDMS微陣列柱子可調(diào)控人全能干細(xì)胞的分化,硬度高的PDMS(1.2 MPa)誘導(dǎo)干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞,而硬度低的PDMS(5 kPa)則誘導(dǎo)干細(xì)胞分化為脂肪細(xì)胞,甚至當(dāng)培養(yǎng)液中加入Smad抑制劑時(shí),干細(xì)胞還可被誘導(dǎo)成為脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。Vertelov等[39]制備了膠原蛋白Ⅰ覆蓋的硅膠,發(fā)現(xiàn)當(dāng)硅膠硬度為64 kPa時(shí)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化,但是當(dāng)其硬度較低時(shí)(0.5～16 kPa)則誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞向脂肪細(xì)胞分化。該研究還發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)液的成分是細(xì)胞分化的輔助條件。此外,在復(fù)雜的海藻酸-瓊脂糖和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(poly(ethylene glycol)dimethacrylate,PEGDA)三維系統(tǒng)中,人們發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞也存在著相似的分化趨勢(shì)[40]。最近,Choi等[41]對(duì)骨髓微環(huán)境進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)PAM的硬度與骨內(nèi)膜(44 kPa)接近時(shí),干細(xì)胞繁殖快,而當(dāng)PAM的硬度與血管區(qū)(3 kPa左右)接近時(shí),細(xì)胞趨向分化。相似的研究表明,當(dāng)膠原蛋白Ⅰ涂覆的PAM硬度在0.5～10 kPa時(shí),骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向神經(jīng)細(xì)胞和軟骨細(xì)胞分化趨勢(shì)明顯,而當(dāng)PAM硬度高于20 kPa時(shí),干細(xì)胞向心肌細(xì)胞和成骨細(xì)胞方向分化不明顯[42]。張書寧等[43]比較了不同的基質(zhì)材料,發(fā)現(xiàn)較硬度高(＞1 GPa)的玻璃基質(zhì),CD34+細(xì)胞能夠被低硬度(約15 kPa)的PAM誘導(dǎo)分化為內(nèi)皮系細(xì)胞。

然而,目前的研究對(duì)干細(xì)胞分化與不同材料基質(zhì)的整體硬度之間的關(guān)系并沒有得到一致的結(jié)論。Trappmann等[44]比較了膠原蛋白共價(jià)修飾的PDMS和PAM,發(fā)現(xiàn)在整體硬度為0.1 kPa～2.3 MPa的PDMS上,角朊細(xì)胞的分化不受硬度改變的影響,間充質(zhì)干細(xì)胞在此范圍內(nèi)都向成骨細(xì)胞分化,而在硬度低(0.5 kPa)的PAM表面,角朊細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞都向脂肪細(xì)胞分化,在硬度高(＞2 kPa)的PAM表面,兩種細(xì)胞都向成骨細(xì)胞分化。該研究還指出,即使PDMS和PAM的硬度相同,但是低硬度的PAM孔隙率較大,這直接導(dǎo)致PAM與膠原蛋白的交聯(lián)度低、蛋白質(zhì)配體間距大,因此,文章提出的結(jié)論是,干細(xì)胞的分化受局部錨定位點(diǎn)上膠原蛋白硬度的影響,并不受基底整體彈性模量的控制[44]。針對(duì)孔隙率和蛋白質(zhì)交聯(lián)度對(duì)細(xì)胞分化的影響,現(xiàn)有研究也存在不同的結(jié)論。Wen等[45]制備了 3 種硬度(4 kPa、13 kPa 和 30 kPa)的PAM,它們可分別誘導(dǎo)干細(xì)胞向脂肪細(xì)胞、肌肉細(xì)胞和成骨細(xì)胞分化,當(dāng)保持PAM的硬度不變時(shí),通過調(diào)節(jié)孔隙大小在88～160 nm和RGD共價(jià)交聯(lián)濃度在0.1～2.5 mmol/L,發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞的分化方向均無改變。除此之外,相關(guān)研究指出,表面修飾蛋白質(zhì)的類型也會(huì)影響干細(xì)胞的分化方向,如層粘連蛋白促使干細(xì)胞向脂肪細(xì)胞分化,纖連蛋白則促使干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化[41]。綜上所述,探究微環(huán)境的細(xì)胞分化需要綜合考慮基底的材料、硬度范圍、孔隙率、修飾蛋白質(zhì)的類型和密度等多種因素。

深入的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分析表明,微環(huán)境之所以能夠影響細(xì)胞分化,主要是由于細(xì)胞核是通過LINC(linker of nucleoskeleton and cytoskeleton)-巢蛋白復(fù)合物與細(xì)胞骨架直接相連的[46],力學(xué)信號(hào)能夠通過細(xì)胞骨架傳導(dǎo)入細(xì)胞核。長(zhǎng)期的力學(xué)信號(hào)刺激可引起相關(guān)基因的上調(diào)/下調(diào)以及相關(guān)蛋白質(zhì)的表達(dá)變化,其中研究較多的是YAP(Yes-associated protein)和 TAZ(tafazzin)蛋白[47～48]。Dupont等[48]報(bào)道,在間充質(zhì)干細(xì)胞分化過程中,細(xì)胞核內(nèi)的YAP和TAZ蛋白能夠直接感受ECM的硬度,其激活過程需要Rho GTP酶的參與,且獨(dú)立于Hippo/LATS信號(hào)通路。Sun等[38]也提出,當(dāng)PDMS的硬度變化時(shí),人全能干細(xì)胞的Rho GTP酶參與的Hippo/YAP通路被激活,與之前研究不同的是,這個(gè)通路的激活需要LATS介導(dǎo)。Totaro等[49]在制備纖連蛋白修飾的PAM時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)PAM的彈性模量在0.7～2 kPa之間時(shí),YAP/TAZ在細(xì)胞質(zhì)中定位,下游Notch通路被激活,上皮干細(xì)胞開始分化；當(dāng)彈性模量高于8 kPa時(shí),YAP/TAZ轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi),Notch通路被抑制,干細(xì)胞的干性得以維持?；谏鲜龇治隹芍?力學(xué)微環(huán)境產(chǎn)生的信號(hào)能夠調(diào)控細(xì)胞核內(nèi)相關(guān)蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn),這對(duì)于干細(xì)胞是否分化起著決定性的作用。

4 總結(jié)與展望

綜上所述,首先,基質(zhì)的硬度和蛋白質(zhì)配體的濃度影響細(xì)胞黏附中黏著斑和骨架蛋白質(zhì)的形貌和分布,然而過高的硬度和配體濃度并不能使黏著斑持續(xù)增強(qiáng)；其次,多種類型的細(xì)胞遷移有趨硬性,不僅如此,細(xì)胞遷移往往還參與了細(xì)胞外基質(zhì)的重建,特別是細(xì)胞病變的發(fā)生；最后,細(xì)胞的硬度在很大程度上影響了細(xì)胞的分化,同時(shí)基質(zhì)的孔隙度、蛋白質(zhì)類型等也是不可忽視的影響因素。

研究力學(xué)微環(huán)境與細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)的關(guān)系在醫(yī)學(xué)應(yīng)用上有著重要的意義。例如,癌癥細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移受到力學(xué)微環(huán)境的調(diào)控,因此,通過改變腫瘤細(xì)胞的微環(huán)境,改變其物理化學(xué)性質(zhì),進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞對(duì)力學(xué)信號(hào)的響應(yīng)[31],是研發(fā)腫瘤靶向藥物的策略之一。在醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域,理想的支架等仿生材料需要滿足幾個(gè)條件:1)精確匹配待修復(fù)組織的力學(xué)性能；2)具備良好的生物學(xué)性能,以達(dá)到良好的組織相容性、承重性、降解性等。目前,激光、磁場(chǎng)及原子信號(hào)掃描等研究技術(shù)已與傳統(tǒng)的生物學(xué)方法聯(lián)合,這些先進(jìn)的研究方法和手段將為深入探索力學(xué)微環(huán)境下的細(xì)胞和分子機(jī)制提供一定的技術(shù)支持。