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水凝胶材料的力学特性与其对细胞的调控作用机制

更新时间:2024-01-15      点击次数:413

水凝胶是生物医用领域的重要生物材料,也是研究热点。但人体内细胞与组织的微环境和调控机制复杂,水凝胶的应用仍存在一些待解决的疑问。随着生物力学的发展,越来越多的研究者发现除水凝胶的材料及生物学特性以外,生物力学特性也是调控细胞功能、影响组织再生修复的关键因素之一。

水凝胶是一种以水为分散介质的三维网络结构聚合物材料,因其良好的生物相容性、药物负载和缓释特性、多孔结构、渗透性和亲水性,尤其是其高度类似于人体组织的吸水及保湿能力,一直是组织工程与再生医学的研究热点。

细胞外基质(ECM)是细胞生长的微环境,由各种蛋白质和多糖组成,可以调节生长、发育和死亡等各种细胞行为。细胞与ECM之间的紧密联系,使它们能够敏锐地感知外部环境的变化。当ECM力学特性发生变化时,细胞会感知并做出响应,从而导致细胞分化、增殖、生长、迁移、信号转导等一系列生物学功能的变化。水凝胶作为具有广阔应用前景的类ECM生物材料,其力学设计将对细胞生长增殖、分化及其功能的发挥产生直接影响。

弹性模量(刚度),指材料在受力时的弹性形变能力,是评估生物组织及生物材料力学性能的重要指标。不同器官的力学性能决定组织功能并调节细胞行为。人体不同组织弹性模量存在较大差异,跨越多个量级,如人体皮肤的弹性模量为0.9-20 kPa,骨骼的弹性模量为3-30 GPa 。组织的弹性模量对细胞功能的发挥至关重要,疾病的发生发展都伴随着组织弹性模量的异常。ECM的弹性模量与细胞分泌胞外基质成分及其胞外基质蛋白相关修饰等因素密切相关。因此构建具有再生修复功能的水凝胶材料时,其弹性模量对细胞生长分化、细胞功能的正常发挥都极为重要。

黏弹性是一个具有时间维度的力学参数,主要体现为应力松弛、蠕变、率相关等应力-应变响应。黏弹性作为天然组织的一种常见和基本的力学特征,已在活体组织和器官中得到广泛验证,包括皮肤、肌肉、软骨、血管、肌腱、大脑、肝脏、乳房和胚胎等 。组织的黏弹性主要源于ECM和细胞生物化学成分和组织特异性结构的多样性。ECM富含生物大分子物质,如蛋白聚糖、透明质酸、胶原蛋白、纤维蛋白和层黏连蛋白,其力学行为表现出时间依赖性。细胞对其周围的动态微环境进行感知和响应,以实现细胞功能。


1.1 水凝胶弹性模量

由于水凝胶材料与椎间盘髓核组织相近的特性,许多学者开发了针对椎间盘退变、替代髓核的水凝胶支架材料,并研究了弹性模量对髓核细胞的调控作用。研究发现低模量基质可促进髓核来源干细胞增殖及成软骨分化,而高模量基质可促进其成骨分化,表明髓核细胞的分化受基质刚度有效调节。富含层黏连蛋白的柔软基质可促进髓核细胞增殖、细胞形态、细胞间相互作用和蛋白多糖的产生,提示基质刚度可调节细胞的生存。基质刚度提高,可促进髓核细胞铺展面积、高度等形态变化,并且可激活TRPV2和PI3K/AKT信号通路,线粒体释放细胞色素C,促进髓核细胞凋亡。通过水凝胶来模拟退变髓核组织,发现提高基质刚度,可通过激活YAP/TEAD1/Cyclin B刺激髓核细胞的增殖,加剧髓核组织纤维化。此外,提高基质刚度,可诱导YAP通过酰基辅酶A合成酶长链家族成员4(ACSL4)介导髓核细胞脂质过氧化和铁死亡。

除髓核细胞外,光介导硬化交联水凝胶相关研究表明,在硬化后的水凝胶上,细胞产生牵引力和YAP/TAZ核穿梭减少, 肝星状细胞活化减少。较软的基质可促进肿瘤组织内动力蛋白相关蛋白(Drp1)线粒体聚集,导致胞内Ca2+升高,从而诱导线粒体碎裂和Parkin/PINK1介导的线粒体自噬。使用动态水凝胶培养间充质干细胞(MSC),随后期水凝胶硬化,MSC表现出显著升高的成骨ECM分泌、基因表达和YAP通路的激活,体内评估进一步表明,动态硬化对MSC成骨的增强显著促进了骨重建。基质的刚度还可用于指导破骨细胞的命运,增加基质刚度可抑制整合素β3介导的Rho-ROCK2-YAP力学转导,促进破骨细胞的生成。

1.2 水凝胶弹性模量调控细胞功能的相关机制

细胞为与周围的力学环境相协调,需将外部力学刺激转化为影响基因表达的相关生化信号,这一过程被称为力学转导。力学信号转导始于整合素和其他黏附蛋白探测微环境的物理特征,然后通过肌动蛋白的收缩性和F-肌动蛋白(F-actin)骨架来调节自身张力状态以平衡细胞外力,进而产生相关生物信号并在细胞中传导。

研究表明,转录调节因子YAP/TAZ在细胞力学信号的转导过程中发挥重要作用。YAP/TAZ是两个高度相关的转录调节因子,主要分布于细胞质与细胞核中。YAP/TAZ活性受F-actin细胞骨架的构象和分裂调节,而F-actin的构象和分裂主要取决于细胞黏附的基质。在大而坚硬的基质上细胞形态铺展,非肌肉肌球蛋白Ⅱ驱动形成细胞骨架及ROCK表达水平升高,激活YAP/TAZ通路;反之在较软或较小的基质上细胞变圆,黏附面积减少,抑制YAP/TAZ通路。在一定程度上,水凝胶基质刚度等微环境可通过影响YAP/TAZ的力学传导来决定细胞命运。通过刚度可调节聚丙烯酰胺水凝胶体系进行多能干细胞衍生胚状体研究3D培养。

水凝胶的刚度可诱导干细胞中YAP相关蛋白力学转导因子的刚度依赖性激活与肌动蛋白细胞骨架重排,进而影响干细胞的分化方向。基质刚度可通过整合素聚集F-actin来影响细胞的形态及其产生张力的能力, 调控YAP/TAZ通路,进而调控细胞的功能。例如肝纤维化现在被认为是肝硬化患者肝再生特性丧失和癌症出现的一个重要因素,坚硬ECM的形成主要因为肝星状细胞转分化为肌成纤维细胞。这种转化是YAP/TAZ依赖性的,通过强化基底材料可导致YAP/TAZ活化和纤维化。

水凝胶基质刚度作为一种力学刺激,其在细胞内的传导过程也依赖于对力学敏感的离子通道。Piezo1作为一种力学敏感离子通道,其可被肌动蛋白骨架拖动并在相关力学刺激下诱发门构象变化,调控阳离子选择性跨膜运输进而调控细胞生长增殖与分化。

心肌素相关转录因子(MRTF-A)主要分布于细胞质,是一类对胞外力学刺激信号敏感的转录辅激活因子,其可与G-actin结合。力学刺激信号促进F-actin组装消耗细胞质内G-actin,导致游离状态MRTF-A增多导致穿梭入核的数量大于出核数量,引起胞核MRTF-A水平升高。随水凝胶基质刚度增加,导致F-actin聚集细胞呈现扁平扩散状,核内MRTF-A水平升高,髓核细胞标志物表达降低并伴随生物合成功能降低。细胞膜上及胞质中力学敏感相关蛋白可感知基质刚度,并将力学信号转化为生化信号,进而对细胞或周围细胞的功能产生影响。


2.1 水凝胶黏弹性

随着生物力学的发展,越来越认识到ECM动态力学特性对细胞行为的调控、维持组织生理状态、病理的发生与发展以及组织再生修复的重要性。基质黏弹性可以影响细胞的各种行为,包括细胞黏附、迁移、增殖以及干细胞分化,甚至影响ECM合成。水凝胶的黏弹性也是组织再生修复中的关键因素之一。

椎间盘处于动态力学环境中,黏弹性在维持椎间盘稳态中起着至关重要的作用。髓核通过负电荷的糖胺聚糖(GAG)调节组织渗透压负责水的吸收和保留而赋予其黏弹性特性。在椎间盘退变的过程中,髓核含水量逐渐降低,ECM中的胶原以及蛋白多糖被降解,糖胺聚糖含量降低,导致其力学性能发生变化,特别是黏弹性行为出现明显的丢失。

2.2 基质黏弹性的力学传导及调控机制

虽然天然水凝胶在细胞培养中得到了广泛应用,但黏弹性的生物学影响近些年才引起关注。细胞生物学行为,包括黏着斑的形成、细胞扩散、MSC分化、细胞迁移和ECM合成,都受基质黏弹性而非初始弹性模量的调节。细胞对基质的动态力学重塑由黏弹性性质实现。

基质黏弹性能可通过黏着斑(FA)将力学刺激传导到细胞中并启动后续信号通路,FA可通过跨膜受体(如整合素)将细胞内肌动蛋白细胞骨架束与ECM成分动态连接。FA的形成也受到基质黏弹性的影响,并且在具有更快弛豫的水凝胶中观察到促进FA的形成。关键力学转导因子YAP/TAZ也与基质黏弹性调控细胞密切相关,YAP/TAZ也在具有快速应力弛豫的基底上的核定位增强。基材黏弹性调控细胞行为与YAP在细胞中的定位相关。


3.1 水凝胶的循环力学特性

人体内的生理载荷大多是动态循环载荷,因此对于水凝胶其循环力学性能直接影响其力学可靠性和结构完整性。具有良好循环性能的水凝胶应该能够在多次加载和卸载循环中保持其力学强度和形状恢复能力,而不会发生断裂或失去功能。

3.2 水凝胶力学特性与动态载荷协同

细胞的自然力学环境除了ECM的力学特性,还有从外部载荷施加到细胞上的剪切力、张力和压缩力等。组织力学特性与动态载荷协同调控细胞周围力学微环境,维持组织正常的结构与功能。因此,许多研究开始探讨多模式力学刺激来调节细胞行为,包括弹性、黏弹性、基质形貌和外部力学刺激。


4.1 水凝胶的力学强度

水凝胶材料用于代替或者修复受损的生物组织时,与周围组织一起提供力学支撑和保护,因此需要足够的力学强度来承受生理载荷。尽管与其他生物材料相比,水凝胶的强度相对较低,但学者们仍致力于开发具有高强度、高韧性和良好的回弹性能的水凝胶材料。

4.2 水凝胶的降解力学特性

水凝胶的降解性能直接影响其在体内的生物相容性和生物力学特性。在降解过程中,水凝胶仍需要一定的力学特性来匹配修复组织及周围的力学环境。目前应用于大段骨缺损、皮肤等承重部位的可降解水凝胶有很多相关研究,但对于材料应用过程中的降解力学性能研究仍存在很多空白,未来应予以关注。