文章详细探讨了细胞外基质（ECM）的粘弹性特性如何影响细胞行为，并讨论了这些发现如何指导再生医学中生物材料的设计。以下是文章的核心内容概述
1. ECM的复杂机械行为：ECM的弹性或硬度对细胞的基本过程有影响，但ECM的实际机械行为远比简单的线性弹性复杂，包括粘弹性、机械塑性和非线性弹性。粘弹性材料在受到机械扰动时表现出瞬时的弹性响应和随后的时间依赖性机械响应及能量耗散。
细胞与 ECM 机械相互作用，包括通过拉动，通常通过基于肌动球蛋白的收缩性通过基于整合素的粘附与 ECM 耦合，以及通过推动，通常通过肌动蛋白聚合和微管。ECM 的机械特性介导这些相互作用，导致细胞机械转导并影响细胞行为。
2. 细胞对ECM粘弹性的响应：细胞通过肌动蛋白-肌球蛋白收缩力和整合素介导的粘附来感知基质的机械特性。细胞能够通过不同的整合素和 syndecan 聚集程度、机械敏感蛋白的构象变化、机械敏感离子通道的激活以及转录因子活性的下游激活来感知基质硬度的变化。
图 2：生物组织和细胞外基质具有粘弹性，并在变形时表现出应力松弛
a，骨骼组织、软组织和重组 ECM 在大约 1 Hz（粘度或耗散的量度）下的损耗模量与大约 1 Hz 时的储能模量（弹性的量度）的关系图。灰色虚线表示损耗模量为储能模量的 10%。假设泊松比为 0.5，然后乘以 3 倍，将剪切存储和损耗模量转换为储能模量和损耗模量。b，对指定组织进行应力松弛试验。数据来自 refs。a 和 b 的数据来自各种测量方式（剪切、压缩、拉伸）、各种测量工具（机械测试仪、纳米压痕、原子力显微镜、剪切流变仪）和不同动物来源的组织（人、大鼠、小鼠、牛、绵羊、猪、犬）。
3. 二维培养中的粘弹性影响：研究表明，基质的粘弹性特性可以促进细胞扩散、粘附形成、增殖和向多种细胞系的分化。计算模型被用来解释细胞如何在二维培养中响应基质的粘弹性，特别是通过肌动蛋白-肌球蛋白-粘附系统（也称为分子离合器）的动态。
图 3：机械转导的分子离合器模型在两个维度上解释了基质粘弹性对细胞扩散的影响
a，应用于粘弹性基材的机械转导分子离合器模型示意图。改编自参考文献。b，当应力松弛的时间尺度 （τs） 与发生在图区域 II 的离合器结合时间尺度 τb 相似时，分子离合器模型模拟预测最佳细胞扩散。kl 和 ka 是弹簧常数;η 是粘度系数;ron 是导通速率。
4. 三维培养中的粘弹性影响：三维培养中，基质的粘弹性对细胞行为的影响更为复杂，包括细胞的形态发生、维持多能性、分化状态和机械转导。研究表明，增加的应力松弛、增强的蠕变或更高的损耗模量在三维培养中促进了细胞的扩散。
图 4：基质粘塑性介导了三维培养中的机械限制
a，在限制三维矩阵中，涉及体积变化、形态变化或两者结合的过程受到限制。b，限制由基质孔径、基质降解性和基质粘塑性的组合控制。对于这些属性中的任何一个来说，足够大的值都会释放限制。
5. 生物材料设计和应用：生物材料的设计需要考虑ECM的粘弹性特性，以模拟体内环境并促进组织再生。已经开发出具有可调节粘弹性特性的生物材料，这些材料在再生医学中显示出促进组织再生的潜力。
a、b、高级成像用于检测受损和正常的组织的机械特性，以便设计具有适当粘弹性的材料，以指导相互作用细胞和形态发生所需的基因表达模式。c、d、引入材料，无论是单独还是携带各种促进再生的货物（例如，细胞），将导致（右图）受损组织的再生和功能重建。
6. 未来研究方向：需要进一步研究组织在发育过程中、成年和病理状态下的粘弹性和粘塑性特性。研究ECM粘弹性如何影响信号传导途径、转录因子激活和表观遗传，以及这些因素如何与三维培养中的细胞行为相互作用。
7. 结论：粘弹性是生物组织和ECM的一个普遍特征，细胞能够感知并响应ECM的粘弹性特性。这些发现对于设计用于再生医学的生物材料具有重要意义，可能改善生物材料在组织修复和形成中的成功应用。
文章的这些详细内容强调了在再生医学中设计和应用生物材料时考虑ECM粘弹性的重要性，并指出了未来研究的方向，以便更好地理解和利用这些机械特性来促进组织再生。
