基底剛度對(duì)細(xì)胞生物學(xué)行為作用的研究進(jìn)展

鄧波兒 孔為民

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京婦產(chǎn)醫(yī)院婦瘤科，北京 100006

細(xì)胞微環(huán)境是由細(xì)胞成份和非細(xì)胞成份組成的復(fù)雜支架，為細(xì)胞的生長(zhǎng)提供了物理和化學(xué)基礎(chǔ)。一般認(rèn)為，與細(xì)胞生長(zhǎng)相關(guān)的物理因素主要包括：流體靜力壓、剪切力、壓縮力、張力和剛度等。剛度是微納力學(xué)的重要參數(shù)之一，可理解為物質(zhì)的硬度。研究發(fā)現(xiàn)，基底剛度在細(xì)胞的生長(zhǎng)、活性、分化和遷移等生物學(xué)過(guò)程中均發(fā)揮著重要作用[1]。隨著基底剛度的改變，特定的剛度刺激可使細(xì)胞表現(xiàn)出一定的分化、表達(dá)趨勢(shì)[2]。然而，基底剛度如何調(diào)控細(xì)胞的生物學(xué)行為的相關(guān)研究少見(jiàn)，本文擬對(duì)基底剛度變化在細(xì)胞中的作用機(jī)制作綜述總結(jié)。

1 基底剛度概述

細(xì)胞外基質(zhì)的彈性模量在生物學(xué)上常被稱為“剛度”。這種特性在體內(nèi)并不是靜態(tài)的，通常是以高度復(fù)雜的梯度顯示，如組織界面處的剛度梯度、骨和軟骨組織之間的轉(zhuǎn)化等?；讋偠戎讣?xì)胞外環(huán)境的剛度，可理解為細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境的硬度。借由原子力顯微鏡的發(fā)展和應(yīng)用，細(xì)胞和組織的剛度已經(jīng)可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量[3]。人體皮膚彈性模量在2～20 kPa[4-5]，而人腦組織的彈性模量?jī)H為1～2 kPa[6]。事實(shí)上，很多疾病的發(fā)生、發(fā)展都與相關(guān)組織力學(xué)性能的改變密不可分。如動(dòng)脈粥樣硬化性疾病，隨著血管內(nèi)脂質(zhì)的沉積、血管壁基質(zhì)改變及血管內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的逐漸遷移，導(dǎo)致血管壁的剛度增加。因此，充分認(rèn)識(shí)基底剛度對(duì)細(xì)胞的影響對(duì)理解疾病進(jìn)展十分重要。

2 基底剛度對(duì)正常細(xì)胞行為的影響

基底剛度對(duì)于錨定依賴細(xì)胞的行為有著深遠(yuǎn)的影響，基底剛度主要通過(guò)聚集細(xì)胞表面整合素將產(chǎn)生的力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)入胞內(nèi)，影響細(xì)胞生長(zhǎng)及細(xì)胞因子分泌，也可以通過(guò)細(xì)胞骨架重塑影響細(xì)胞運(yùn)動(dòng)。整合素是一種黏附分子，由非共價(jià)結(jié)合的α 亞基和β 亞基配對(duì)形成異二聚體，主要參與細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)之間的黏附[7]。整合素通過(guò)細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的支架蛋白與細(xì)胞骨架相連，向外與細(xì)胞外基質(zhì)的特定配體蛋白相結(jié)合[8]。這種結(jié)構(gòu)稱為黏附復(fù)合物，在細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)的黏附過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。

2.1 基底剛度對(duì)細(xì)胞形態(tài)的影響

細(xì)胞的形態(tài)基于外部生物力和細(xì)胞內(nèi)部力之間的平衡，即通過(guò)基底剛度和生物力來(lái)控制。Melica 等[9]在梯度為0.2～50.0 kPa 的水凝膠基底表面培養(yǎng)腎祖細(xì)胞（renal progenitor cell，RPC），結(jié)果發(fā)現(xiàn)在較軟的基底上培養(yǎng)的RPC 鋪展面積較小，在較硬的基底上RPC 則以單個(gè)細(xì)胞的形式生長(zhǎng)，鋪展面積更大，展現(xiàn)出板狀偽足，可見(jiàn)RPC 能通過(guò)改變其形態(tài)和形狀來(lái)響應(yīng)基底剛度的變化。

2.2 基底剛度對(duì)正常細(xì)胞增殖活性的影響

基底剛度直接影響著細(xì)胞的增殖情況和倍增時(shí)間。盧方理等[10]研究了在不同基底剛度上生長(zhǎng)的血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖、凋亡及形態(tài)的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)較大的基底剛度更有利于內(nèi)皮細(xì)胞骨架的伸展和細(xì)胞增殖，同時(shí)降低了細(xì)胞凋亡率。Wu 等[11]還發(fā)現(xiàn)，不同基底剛度上生長(zhǎng)的神經(jīng)元細(xì)胞突起的長(zhǎng)度、遷移、增殖和形態(tài)均不相同。由此可見(jiàn)，細(xì)胞的增殖狀態(tài)和細(xì)胞活力等與細(xì)胞外基質(zhì)的力學(xué)特性有著密切的關(guān)系。

2.3 基底剛度對(duì)細(xì)胞遷移的影響

Gouveia 等[12]在不同剛度梯度上觀察了人眼角膜上皮干細(xì)胞的遷移能力，在較軟的基底上細(xì)胞移動(dòng)速度較慢[（20±2）μm/h]，而在較硬基底上細(xì)胞的移動(dòng)速度較快[（26±2）μm/h]，兩者比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.016）。這可能與基底剛度改變了角膜上皮干細(xì)胞的表型有關(guān)，在不同剛度組之間Wnt/β-Catenin 信號(hào)通路的多個(gè)因子均表現(xiàn)出差異，這可能是基底剛度影響角膜上皮干細(xì)胞遷移的機(jī)制之一。

2.4 基底剛度對(duì)正常細(xì)胞分化的影響

基底剛度還參與了細(xì)胞的分化過(guò)程，改變基底剛度參數(shù)可以調(diào)整干細(xì)胞分化方向。Xie 等[13]對(duì)不同剛度上的脂肪基質(zhì)細(xì)胞的分化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)剛性誘導(dǎo)β-catenin 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)失衡，并最終導(dǎo)致較硬基底上的脂肪基質(zhì)細(xì)胞成骨能力增強(qiáng)，脂肪生成能力減弱。Liu 等[14]也發(fā)現(xiàn)，在較硬基底上培養(yǎng)的青光眼患者篩板細(xì)胞，細(xì)胞骨架系統(tǒng)更成熟，隨著肌動(dòng)蛋白的發(fā)育，細(xì)胞的鋪展面積明顯增大；并引起了肌纖維母細(xì)胞表型，促進(jìn)了青光眼患者篩板細(xì)胞的重塑和纖維化。

2.5 基底剛度對(duì)正常細(xì)胞表型的影響

在動(dòng)脈粥樣硬化疾病中普遍存在著細(xì)胞外環(huán)境硬度的增加，這種硬度改變可能激活了組織內(nèi)的免疫細(xì)胞。Okamoto 等[15]研究發(fā)現(xiàn)，較軟基底可弱化炎癥細(xì)胞的活性，在較軟基底上單核細(xì)胞表達(dá)的標(biāo)志物和吞噬活性均低于較硬基底上的細(xì)胞，結(jié)果提示基底剛度是促炎和抗炎平衡的重要因素。Mennens 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，基底剛度可以影響成熟樹(shù)突狀細(xì)胞CD83、CCR7 和整合素的表達(dá)，其中CCR7 導(dǎo)致趨化因子定向遷移的改變。Zeng 等[17]也發(fā)現(xiàn)較硬的基底更有利于觸發(fā)抗原和B 細(xì)胞受體，表明基底剛度可能對(duì)免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié)有著重要作用。

2.6 基底剛度對(duì)正常細(xì)胞功能的影響

基底剛度不僅影響著細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖等基本過(guò)程，還對(duì)細(xì)胞功能產(chǎn)生一定作用。Wen 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，海馬神經(jīng)元細(xì)胞在不同基底剛度上的電壓門(mén)控Ca2+電流不同，表明基底剛度在調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活性中起著直接作用，可以影響神經(jīng)元活動(dòng)。Nguyen 等[19]研究發(fā)現(xiàn)，基底剛度對(duì)心肌細(xì)胞的肌電信號(hào)傳遞起著重要作用。較軟基底將更有利于心肌信號(hào)傳遞；相反，心肌梗死后，由于炎癥細(xì)胞釋放的炎癥介質(zhì)和基質(zhì)金屬蛋白酶降解了細(xì)胞外基質(zhì)和瘢痕形成，最后形成了成熟的富含膠原蛋白的修復(fù)性瘢痕[20]。這一過(guò)程導(dǎo)致心肌梗死后基底剛度的增加，并對(duì)心肌功能的協(xié)同造成不利影響。

3 基底剛度對(duì)腫瘤細(xì)胞的影響

3.1 基底剛度對(duì)腫瘤細(xì)胞形態(tài)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，隨著腫瘤的進(jìn)展，基底剛度往往表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)。這種變化在腫瘤向晚期發(fā)展中更為常見(jiàn)，為腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移提供了幫助[21]。趙軒宇等[22]研究了在不同基底剛度上生長(zhǎng)的宮頸癌HeLa 細(xì)胞的生物學(xué)行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：HeLa 細(xì)胞在更大的基底剛度上，表現(xiàn)為細(xì)胞鋪展面積增加，細(xì)胞倍增時(shí)間縮短，并且細(xì)胞骨架更加成熟。

3.2 基底剛度對(duì)腫瘤細(xì)胞遷移的影響

細(xì)胞的黏附和遷移在多種細(xì)胞生理過(guò)程中都起著關(guān)鍵作用。對(duì)于腫瘤細(xì)胞來(lái)說(shuō)，細(xì)胞的遷移能力十分重要，直接影響著腫瘤細(xì)胞擴(kuò)散和遷移的能力。一般情況下，生物組織往往表現(xiàn)為一定的剛度，但腫瘤組織作為新的組織，可能改變正常組織原有的剛度，并使腫瘤細(xì)胞更易于遷移。Peng 等[23]利用不同剛度的聚丙烯酰胺基底模擬乳腺癌的體內(nèi)分期，分析了基底剛度與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，基底剛度通過(guò)整合素的激活介導(dǎo)特殊的細(xì)胞傳導(dǎo)通路，并促進(jìn)細(xì)胞的遷移[24]。上皮向間質(zhì)轉(zhuǎn)化是腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移和侵襲性增加的基本生物過(guò)程之一，基底剛度可能通過(guò)這一機(jī)制調(diào)節(jié)細(xì)胞的遷移能力。Shukla 等[25]對(duì)基底剛度和肺腺癌細(xì)胞A549 的遷移行為進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)基底剛度通過(guò)調(diào)節(jié)局部黏附信號(hào)，從而調(diào)節(jié)肺癌細(xì)胞的遷移。這使得人們注意到剛度的改變與細(xì)胞黏附、遷移的關(guān)系，可能與腫瘤的發(fā)展和侵襲相關(guān)。Zhao 等[26]研究顯示，隨著腺樣囊性細(xì)胞癌的進(jìn)展，基底剛度的增加可以使基質(zhì)金屬蛋白酶的表達(dá)增加，而基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑2 和4 的表達(dá)下降，可能成為治療腺樣細(xì)胞癌的新靶點(diǎn)。

3.3 基底剛度對(duì)腫瘤細(xì)胞抗腫瘤藥物敏感性的影響

基底剛度不僅影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展，還會(huì)改變腫瘤對(duì)抗腫瘤藥物的敏感性。Feng 等[27]研究了不同基底剛度乳腺癌MCF-7 細(xì)胞對(duì)順鉑和紫杉醇的藥物反應(yīng)，結(jié)果表明在較軟的基底上，MCF-7 細(xì)胞表現(xiàn)出了對(duì)抗腫瘤藥物的細(xì)胞毒性的抵抗性。焦思萌等[28]對(duì)宮頸癌HeLa 細(xì)胞進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在相同的順鉑濃度作用下，隨著基底剛度的增加HeLa 細(xì)胞的存活率呈下降趨勢(shì)。即基底剛度越大，腫瘤細(xì)胞的順鉑敏感性越高。因此，將剛度作為一項(xiàng)指標(biāo)篩選用藥群體或許為提高臨床藥物效果提供了一種新的可能。

3.4 基底剛度與腫瘤細(xì)胞剛度的關(guān)系

基底剛度還影響著腫瘤細(xì)胞的剛度。一般認(rèn)為，腫瘤細(xì)胞比良性細(xì)胞更軟，而腫瘤組織在進(jìn)展中往往表現(xiàn)為剛度增加，即逐漸變硬的趨勢(shì)[29]。Chiang 等[30]對(duì)不同基底剛度上的L02 細(xì)胞和M3 細(xì)胞進(jìn)行了細(xì)胞剛度的測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著基底剛度的增加（0.54～33.70 kPa）細(xì)胞剛度也趨向于增加，但二者不存在線性關(guān)系。兩者的關(guān)系是否受剛度梯度和細(xì)胞種類的影響尚不清楚，需要進(jìn)一步研究證實(shí)。

3.5 基底剛度對(duì)腫瘤細(xì)胞表型的作用

腫瘤細(xì)胞在不同剛度表面上培養(yǎng)時(shí)，腫瘤細(xì)胞會(huì)發(fā)生顯著的表型變化[31]。PD-L1 是腫瘤免疫逃逸的重要機(jī)制之一，Miyazawa 等[32]對(duì)HCC827 肺腺癌細(xì)胞進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，較硬基底上的肌動(dòng)蛋白應(yīng)力纖維更豐富并且促進(jìn)了PD-L1 的表達(dá)，表明基底剛度可以通過(guò)改變腫瘤細(xì)胞的表型，促進(jìn)腫瘤免疫逃逸并進(jìn)一步影響腫瘤的生長(zhǎng)。Piao 等[33]采用不同剛度的人工基底對(duì)宮頸癌細(xì)胞株上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化的過(guò)程進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在20 kPa 的剛度上培養(yǎng)的宮頸癌細(xì)胞株的上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化能力最強(qiáng)，表明基底剛度的改變對(duì)細(xì)胞表型及細(xì)胞分化有影響作用，并可能與腫瘤的發(fā)展密切相關(guān)。

腫瘤在發(fā)展過(guò)程中必須進(jìn)行血管生成，基底剛度的增加也促進(jìn)著這一過(guò)程。Zhao 等[34]在不同基底剛度上對(duì)肺癌細(xì)胞系A(chǔ)549 和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行了單獨(dú)培養(yǎng)和共同培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)金屬蛋白酶和血管生成相關(guān)因子的表達(dá)隨著基底剛度的增加而上調(diào)，且基質(zhì)金屬蛋白酶的組織抑制劑的表達(dá)隨著基底剛度的增加而下調(diào)，提示腫瘤組織增加的基底剛度可能促進(jìn)肺癌的遷移和血管生成能力。

4 小結(jié)

綜上所述，基底剛度作為細(xì)胞微環(huán)境的物理因素之一，對(duì)于正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞都有著重要的影響，尤其在腫瘤的發(fā)生和轉(zhuǎn)移中有著不可忽視的作用，或可作為新的切入點(diǎn)為改善腫瘤的藥物治療提供幫助。此外，在開(kāi)展體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)或藥物動(dòng)力學(xué)研究時(shí)，除生物化學(xué)因素外，應(yīng)該充分考慮體內(nèi)組織的基底剛度這一參數(shù)，盡可能地還原體內(nèi)真實(shí)的細(xì)胞微環(huán)境，以得到可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。