细胞外基质的硬度对细胞行为的影响

细胞培养是美国生物学家罗斯·哈里森 (Ross Harrison) 于 1907 年做出的一项突破性发现，彻底改变了科学研究。哈里森（Harrison）利用悬滴技术在薄层软琼脂上成功培养了青蛙神经细胞，揭示了软基质在细胞生长中的早期利用。多年来，研究人员设计了更简单的方法在硬质玻璃和聚苯乙烯组织培养塑料上培养细胞，提高了细胞培养技术的效率。这种方法几十年来一直是采用的主要方法。

然而，直到 1972 科学家们开始注意到一个显着的现象：当细胞在胶原蛋白凝胶等软基质中生长时，细胞表现出独特的特征。这一有趣的观察促使人们进一步探索细胞外基质（ECM）和基质硬度对细胞行为和形态的影响。因此，开展了重要的研究，以了解细胞培养中基质刚度的影响及其对不同生物过程的影响。

通过了解基质刚度的作用，我们可以揭示细胞及其微环境之间复杂的关系，从而推动组织工程、再生医学和疾病建模等领域的进步。

了解矩阵刚度：

基体刚度是指基材的刚性或柔软度，是 ECM 继承的机械性能。ECM 的硬度由多种因素决定，包括其成分的组成和组织，如胶原蛋白、弹性蛋白、蛋白聚糖和其他结构蛋白。这些成分有助于基质的物理特性并影响其机械性能。

基体刚度通常用杨氏模量来量化，杨氏模量代表材料刚度或弹性的度量。杨氏模量反映了基体中应力（施加到某个区域的力）和应变（产生的变形）之间的关系。

体内不同的组织和器官具有不同程度的基质硬度。例如，骨组织相对坚硬，而脑组织则更柔软且更柔顺。这些硬度差异对于各自组织内细胞的正常功能至关重要。

体内各器官和组织的基质刚度

重要的是，基质硬度在调节细胞行为中起着至关重要的作用。细胞可以通过机械敏感信号通路感知周围基质的机械特性并对其做出反应。基质的硬度可以影响细胞粘附、迁移、增殖、分化和基因表达等过程。

细胞外基质硬度对细胞行为的影响

细胞粘附和形态：

细胞对不同硬度的基质的粘附不同。一般来说，细胞倾向于更广泛地扩散并在坚硬的基质上形成扁平的形态，而它们保持圆形并在较软的基质上表现出有限的扩散。这种粘附和形态反应可以影响下游的细胞过程。

细胞粘附和形态：

基质硬度对细胞增殖和存活有重大影响。一个实例是增加基质硬度可促进增殖和化疗耐药性，而柔软的环境可诱导可逆的细胞休眠和干细胞特征，并增强 HCC 化疗后的克隆形成能力。

细胞迁移和侵袭：

基质硬度影响细胞迁移和侵袭能力。许多研究表明ECM硬化可促进肿瘤转移。例如，ECM 硬化和胶原交联促进粘着斑并促进癌前乳腺上皮的侵袭。

干细胞分化

基质硬度在指导干细胞命运和分化中起着至关重要的作用。干细胞根据其微环境的硬度分化成特定的谱系。在一个研究中发现，间充质干细胞（MSC）在相同生化环境中以不同硬度培养时，会分化成与天然组织硬度相对应的不同谱系。在软基质（1kPa）上培养的 MSC 可以分化为神经细胞，而 MSC 培养于硬质基材 (17kPa) 分化为肌肉细胞，当在更硬的基质 (34 kPa) 上培养时，它们分化为成骨细胞。

基因表达和机械转导

基质刚度可以调节基因表达模式。细胞通过各种机械传感器（例如整合素、粘着斑和细胞骨架蛋白）感知来自基质的机械信号。这些信号可以触发细胞内信号通路，导致基因表达的变化并最终影响细胞行为。ECM 硬度增加 MENA 的表达和 ESRP1 介导的选择性剪接以促进内渗，并且在另一份报告中，基质硬度促进内胚层基因表达 调节 hPSC 内胚层分化。

基质刚度在组织工程和疾病建模中的应用

对基质刚度的理解在组织工程和疾病建模领域非常重要，为推进研究和治疗应用提供了许多影响。

在组织工程中，目标是创建可以替代或修复受损或患病组织的功能性和生物相容性组织。ECM 的机械性能在指导细胞行为和组织发育方面发挥着至关重要的作用。通过控制合成基质的刚度，研究人员可以设计紧密模仿天然组织刚度的仿生环境。这对于成功的组织工程应用至关重要，因为细胞对其机械微环境高度敏感。匹配天然组织的硬度使细胞能够接收适当的机械信号，从而改善细胞附着、增殖和分化。在工程结构中重建组织特异性刚度梯度的能力使得能够形成与其天然对应物非常相似的功能组织。

此外，包括癌症、纤维化和心血管疾病在内的多种疾病的特征是周围 ECM 硬度的改变。肿瘤进展通常涉及肿瘤微环境硬度的变化，在许多实体瘤中观察到基质硬度增加。异常的基质硬度会影响细胞行为，例如增殖、迁移和侵袭，并可能导致疾病进展和转移。在纤维化的情况下，过度的基质沉积和组织硬化是关键的病理特征。通过研究这些疾病条件下细胞和硬化基质之间的相互作用，研究人员可以获得对疾病机制、细胞反应和潜在治疗干预措施开发的宝贵见解。了解基质硬度对细胞行为和组织重塑的影响有助于确定新的干预目标并指导这些疾病的新疗法的开发。

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【北联干细胞-iPSC细胞实验室】

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现涵盖iPSC诱导多能干细胞，间充质干细胞、神经干细胞、血管内皮干细胞、软骨干细胞、羊膜干细胞、NK/NKT/CTL/CAR-T/CAR-NK/DC-CIK/INKT等免疫细胞；应用范围包括：疾病预防、两性生殖、神经系统疾病、脑部疾病、亚健康、免疫系统疾病、骨关节疾病等，同时可以通过个体化iPSC技术制备和分化成多种细胞，包括精原细胞、卵原细胞并形成精子/卵子。