Matrix 降解增强应力松弛调控细胞黏附与铺展：开启生物材料设计新视角

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Matrix degradation enhances stress relaxation, regulating cell adhesion and spreading

本文聚焦细胞外基质（ECM），研究发现 Matrix 经基质金属蛋白酶（MMPs）降解后，应力松弛增强，影响细胞黏附与铺展。通过调控基质降解性可调节应力松弛，为生物材料设计提供关键参数，对再生医学等意义重大。

　　

1. 研究背景

细胞外基质（ECM）是蛋白质的复杂组合，赋予组织机械和生化特性。合成生物材料的进步有助于研究细胞机械转导。ECM 的降解性对细胞行为影响重大，可影响细胞黏附、迁移、干细胞分化等过程。但在二维环境中，降解速率对细胞行为的影响研究较少，且降解性与机械性能的关系也尚不明确。胶原蛋白作为 ECM 中最丰富的蛋白质，被 MMPs 降解后对其纤维网络力学的影响也未被充分理解。基于此，研究人员假设细胞通过应力松弛来机械感知局部 ECM 降解，开展了相关研究。

2. 实验设计

• 制备不同降解性的胶原凝胶：利用大分子拥挤技术，以聚乙二醇（PEG）为拥挤剂，制备了 2.5mg/mL 但降解性不同的胶原凝胶，分别为更多可降解（MD）和更少可降解（LD）的凝胶，经胶原酶处理后得到 MDx-10 和 LDx-10 凝胶。
• 合成可调降解性的水凝胶：合成了聚（乙烯醇）（PVA）水凝胶，通过改变 MMP 可降解交联剂与不可降解（ND）交联剂的比例，制备了胶原酶可降解（CD）和 ND 凝胶。
• 制备不同应力松弛特性的聚丙烯酰胺凝胶：通过调整交联密度，制备了平均刚度分别为 3.4kPa 和 5.3kPa 的慢松弛和快松弛聚丙烯酰胺凝胶。
• 细胞培养及相关处理：选用人包皮成纤维细胞（HFF）、C2C12 成肌细胞和 MCF10A 乳腺上皮细胞进行实验。对细胞进行培养、染色，用于观察细胞铺展、黏着斑等情况，部分实验还使用了蛋白酶抑制剂。

3. 实验结果

• 胶原降解性影响细胞铺展：HFF 在 MD 凝胶上比在 LD 凝胶上的铺展面积更大，形态更细长。经胶原酶处理后，MDx-10 凝胶上的细胞铺展减少、更圆，而 LDx-10 凝胶上的细胞铺展无明显变化。MD 和 MDx-10 凝胶的刚度无显著差异，但局部原子力显微镜（AFM）测量有细微变化，由此推测细胞可能感知降解后的应力松弛差异。
• 降解增强胶原凝胶的应力松弛：流变学测量显示，MDx-10、LD 和 LDx-10 凝胶比 MD 凝胶的应力松弛增强。对 MD 凝胶进行不同浓度胶原酶处理发现，t_1/2（达到最大应力一半的松弛时间）与细胞铺展面积相关性最强。抑制细胞内源性 MMPs 不影响细胞铺展差异，表明应力松弛变化是由外源性胶原酶处理引起的。
• 设计不同降解性水凝胶实现可调应力松弛：合成的 CD 水凝胶在胶原酶处理后，应力松弛加快，且通过调整胶原酶浓度可调节松弛特性，而 ND 凝胶仍保持较慢的松弛曲线。
• 成纤维细胞在降解底物上黏着斑减少：在合成凝胶上，HFF 在未处理的 CD 和 ND 凝胶上的铺展无显著差异。但在酶处理后的 CDx-0.1 和 CDx-10 凝胶上，细胞铺展面积减小、更圆，黏着斑数量和总面积也减少。
• 细胞对应力松弛的反应具有细胞类型依赖性：C2C12 成肌细胞在 CDx-10 凝胶上比在 NDx-10 凝胶上的铺展减少、形态更不细长；MCF10A 乳腺上皮细胞在 CDx-10 和 NDx-10 凝胶上的铺展、圆形度和纵横比相似，对底物粘弹性变化不敏感。
• 3D 培养中，成纤维细胞对降解诱导的松弛反应与 2D 相似：在 3D 培养中，HFF 在 ND 凝胶中的铺展面积比在 CD 凝胶中更大，表明细胞介导的 CD 凝胶降解导致的应力松弛影响了细胞铺展行为。
• 快松弛聚丙烯酰胺凝胶与降解诱导的快松弛凝胶对细胞铺展影响相似：HFF 在慢松弛聚丙烯酰胺凝胶上的铺展面积比在快松弛凝胶上更大，说明细胞对基质粘弹性变化的反应类似，突出了底物应力松弛对调节细胞行为的关键作用。

4. 讨论与结论

研究表明，即使轻微的 ECM 降解也会改变其机械性能，增加应力松弛。不同细胞类型对降解增强的应力松弛反应不同，成纤维细胞和 C2C12 成肌细胞铺展减少、黏着斑形成减少，而 MCF10A 乳腺上皮细胞无明显反应。3D 培养实验中，本研究结果与先前在藻酸盐凝胶中的研究不同，可能是由于配体聚类、水凝胶纳米多孔结构或培养时间差异等原因。细胞对底物粘弹性的反应受多种因素影响，如细胞类型、松弛动力学、配体密度和表征技术等。

ECM 降解不仅会降低刚度，还会增加应力松弛，这取决于多种因素。可通过设计降解性来调控应力松弛，未来研究应关注特定黏附配体对细胞反应的影响。体内 ECM 降解对维持组织稳态至关重要，其失调与多种疾病相关。本研究强调了 ECM 对降解的敏感性、应力松弛和细胞黏附之间的关系，为理解不同基质结构与细胞行为的关联提供了思路。

总之，本研究利用降解性来设计应力松弛和细胞黏附，对生物材料开发意义重大。在再生医学中，考虑降解对材料性能的影响，有助于设计出更有效的可降解支架，促进细胞浸润和组织修复。