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胞外基质模拟物重塑细胞研究

Mar 12, 2019 No Comments

胞外基质模拟物重塑细胞研究1

细胞外基质是细胞分泌的多种物质的混合物,它能为细胞提供结构和信号传导支持。

 


细胞外基质(extracellular matrix, ECM)控制着多个细胞功能。新技术揭示了细胞和基质如何交流——以及为什么这种交流很重要。

肌肉干细胞的一大作用是在损伤情况下增殖并修复损伤。但是在实验室中培养时,这些细胞只有在软凝胶上才能保留其自我更新能力,在硬塑料板上就会丧失这种能力。那么细胞感知这种环境差异的机制是什么呢?

2017年,加拿大多伦多大学(University of Toronto)的细胞生物学家Penney Gilbert等人发现了一条线索。他们发现,肌肉干细胞上的某些受体蛋白对其结合配体的反应不同,这取决于下面的生长基质是软的还是硬的。看起来,细胞可以根据环境的物理特性调整它们对刺激因子的反应。

ECM是一种包围着细胞,由细胞生长时分泌的蛋白质、信号分子和化学物质组成的混合物。Gilbert此前曾报道,细胞ECM的硬度能影响肌肉干细胞自我更新的能力;而他在2017年的研究工作中提出了ECM干预这一过程的机制。

细胞通过ECM形成骨骼或大脑等组织的强度和形状。因此,科学家长期以来一直认为ECM只是支持细胞结构的一种支架——就像花园架子一样。现在,科学家已经意识到,ECM在细胞行为中起着积极的作用:来自ECM的信号可以指导干细胞修复受损组织,重新形成受中风损伤的血管,并改变细胞对化疗的反应。

宾夕法尼亚州匹兹堡大学(University of Pittsburgh)的生物工程师Stephen Badylak表示,如果25年前你随便向一个人询问ECM的功能,他们都会回答说,它只是结构性的。现在答案恰恰相反:ECM被认为是信号分子的储存库,可以作为细胞之间的一种信息高速公路。

ECM启发了细胞培养、生物工程等领域的进展,科学家得到了能更好地反映细胞在组织中的生存和行为的材料。许多这些ECM模拟物被应用到再生医学中。在实验室中,研究人员使用它们来了解基质如何影响细胞,以及如何改善工程化ECM。但ECM模拟物的使用可能也很棘手。Gilbert指出,定制一个实验所需的最佳ECM是最大障碍之一。 每种合成或天然衍生的生物材料都有各自不同的优点和缺点,而找到最适合你的试验的材料非常有挑战性。

 

来自组织的脱细胞基质材料

直到20世纪80年代,人们的普遍观点都是,细胞控制着其周围的基质。但对于现在就职于加州劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的细胞生物学家Mina Bissell来说,细胞和基质之间的对话似乎是双向的。1982年,她提出了当时备受争议的观点,即ECM与细胞核交流,以指导其功能。她和同事发现,合适的ECM可以驱动小鼠乳腺细胞产生乳汁和大鼠肝细胞来制造酶。通过调整ECM,我们甚至可以使携带突变的肿瘤细胞表现得像健康细胞一样。

到20世纪80年代中期,Badylak已经开始探索洗脱组织中的细胞得到的健康基质是否可用于刺激动物的组织再生。这种名为去细胞化的剥离过程需要用混合化学物质(包括洗涤剂和酶)处理组织,以便在去除细胞的同时能保持基质的完整性。

加州大学圣地亚哥分校(University of California,San Diego)的生物工程师Karen Christman指出,这是一种平衡行为。研究人员必须清除足够的基质蛋白和蛋白多糖,以避免在将基质植入受体时产生炎症反应,但又要保留足够的线索,从而支持细胞生长。

某些组织比其它组织更难处理。Christman表示,大脑非常柔软,很容易碎,而富含酶的胰腺必须用蛋白酶(作用是消化蛋白)抑制剂处理,以保护基质。

这种脱细胞材料可以粉末化,并重构成水凝胶以形成有效的治疗剂。Christman指出,一旦注入体内,这种水凝胶就会“重新组装成与原始结构非常相似的结构,无论是孔径、纤维直径,还是生化性质方面”。例如,这种材料已被用于治疗肌腱撕裂、肩袖损伤和皮肤烧伤。

尽管各种组织的胞外基质之间存在差别,但治疗材料可以源自不同器官,甚至不同物种的脱细胞ECM。正如Badylak所说,虽然对于某些组织来说,使用什么样的ECM几乎无关紧要,但是对于其它组织来说,使用哪种ECM,差别会很大。

例如,来自猪小肠、膀胱或真皮的基质都可以修复人体骨骼肌。但对于食道,只有来自同一组织的ECM才有效。在中枢神经系统中,外来基质比来自神经系统的基质要好。Badylak的研究小组发现,相比于来自中枢神经系统的ECM,膀胱ECM可以刺激神经元干细胞更好地增殖。

Christman表示,无论来源如何,每批脱细胞材料都有差别,必须进行测试以确保所有细胞都已被去除,并且需要检测其机械和信号特性。但有时,这件事说起来容易做起来难:研究人员并不总是确定脱细胞材料的哪些特性——拉伸强度、聚合物化学或配体组成——实际上会触发特定的细胞功能。

哈佛大学(Harvard University)的生物工程师David Mooney指出,脱细胞材料“在触发细胞行为的能力方面非常强大”,“但由于其未被明确定义,也导致了很多麻烦。”

 

从头开始

为了分离、模仿和理解ECM的特定属性,一些研究人员正在探索合成基质替代品。这些合成基质是使用聚合物和一些特定的配体构建的,用于细胞附着,并具有明确的化学和物理特征。

德国马克斯普朗克分子生物医学研究所(Max Planck Institute for Molecular Biomedicine)的生物工程师Britta Trappmann发现,基质硬度、可降解性和“粘性”都可以影响形成血管的细胞在多细胞和单细胞迁移模式之间切换。单细胞能快速侵入新区域,但形成新血管需要多细胞的共同作用。理想情况下,生物工程师根据此原理,将能够设计出细胞迁移模式可控的组织植入物。

Gilbert指出,这种合成基质的化学组成通常包括胶原蛋白和透明质酸等天然聚合物,以及聚乙二醇或聚偏二氟乙烯-三氟乙烯等合成分子。具体的组成取决于待研究的生物学问题。当研究由透明质酸制成的基质是否可以提高注射到组织中的肌肉干细胞的存活率时,Gilbert的研究小组发现,聚合物本身与细胞表面受体结合,而不是帮助细胞粘附到其它蛋白质上。

这些聚合物变成支架的方式也有所不同。纽瓦克新泽西理工学院(New Jersey Institute of Technology)的生物医学工程师Treena Arinzeh研究了机械力如何触发影响干细胞分化的电流。Arinzeh使用静电纺丝(利用高压静电场,使高分子溶液喷射雾化),从而形成间距和尺寸可从纳米水平上精确控制的片状纤维材料,然后这些片状纤维堆叠形成3D结构。Arinzeh用它来研究某些干细胞如何在一个确定的基质中分化。

人造胞外基质也正在接受临床测试。杜克大学(Duke University)的生物工程师 Tatiana Segura开发了一种基于透明质酸的材料,该材料中含有带有血管内皮生长因子的纳米颗粒。当注射到模拟中风的小鼠脑中时,该材料聚合成水凝胶,填充中风损伤留下的空腔。原本创建一个精确适合腔体形状的植入物是棘手的,但注入一种原位凝固的液体可以解决这个问题。重要的是,凝胶促进了血管的形成,Segura表示,这在“大脑修复过程中非常重要”。

 

研究细胞功能

Mooney表示,在开发ECM时,无论是天然的还是合成的,研究人员首先需要考虑它的成分——应该存在哪种蛋白质配体、它们的密度和它们对细胞受体的亲和力,然后考虑它的机械性质,如弹性、刚度、形状以及这些物理属性是否随时间而变化。

在基质中培养细胞以进行2D研究的一种方法是使聚合物交联,让其形成半固体凝胶,然后在顶部接种细胞。另一种方法是混合基质材料和细胞,然后固化支架以产生3D结构。

相较于在2D环境中培养的细胞,通常在3D培养中的细胞生长较慢,因此Mooney的团队经常在将细胞移植到3D基质之前将细胞生长在2D基质中。但是Mooney建议研究者先思考自己的实验是否需要3D培养环境。3D培养困难且耗时,从生物学的角度来看,他建议可以在2D培养中非常容易和适当地模拟细胞行为的某些方面。

2D培养物中的细胞可以直接从基质表面收集,并将其用于标准方案中,用于诸如基因表达分析和酶测定等检测;对于3D培养,Mooney指出,你需要清除基质才能得到细胞。常用的洗脱基质的方法包括:添加螯合化学物质以结合钙溶解凝胶,以及用酶消化基质材料。

为了对ECM进行成像,Mooney指出,研究人员经常将基质视为一块组织。光学显微镜技术可以帮助研究人员观察表面以下的部分。为了更深入地观察,他们可以对ECM样本进行 “冷冻”、修复和染色,就像处理动物组织一样。

对于俄亥俄州立大学(Ohio State University)的生物医学工程师Jennifer Leight来说,基质是研究细胞用来消化和重建ECM的酶的工具。Leight指出,研究细胞分泌到基质中的东西的手段非常少。Leight的课题之一是研究基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMP),一种细胞在生长和组织更新过程中分泌的,用于降解胶原蛋白的酶。

Leight设计了一种基于MMP切割的胶原蛋白序列的肽感受器。当被切割时,该感受器会发出荧光信号。通过把这种感受器整合到水凝胶中,便能够记录MMP酶的活性(图“基质的活力”)。

她表示,可以设计类似的感受器来研究其它分泌的蛋白质,合成这些感受器的试剂可直接从公司订购。这将大大推动这种方法的普及。

 

 

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了解细微差别

但其它挑战仍然存在。虽然合成和人造材料原则上都易于获取,但是没有共同的合成方案来使材料的合成标准化。每个实验室都有自己的方法,因此比较数据,甚至关于同一组织的数据都很棘手。

关于植入材料如何在体内组装和降解的问题也存在。例如,Segura可以测量注射到受中风影响的小鼠脑中的水凝胶的聚合物性质。但是因为中风后留下的死组织含有细胞碎片和各种液体,Segura表示,因此实验室中的水凝胶“实际上根本没有在体内聚合”。并且我们根本无法想象在大脑深处发生的事情。我们只能确保每次注射的材料都是一样的。

在与开始使用ECM的研究人员交谈时,Gilbert说他们最常见的问题是“最适合我的实验的生物材料是什么?”关于这个问题,没有简单的答案。她指出,因为你找不到可以直接进行比较的数据,无法确定各个材料在这个问题上的优势,从而很难找到最好的选择。

尽管如此,Christman表示,付出的努力是值得的。任何旧的或新的材料都需要类似的安全和标准化研究。他认为,设计全新的材料,并推动其进入临床,并不是一件值得让人沮丧或者害怕的事情。

 

 

原文检索:
Jyoti Madhusoodanan. (2019) Matrix mimics shape cell studies. Nature, 566: 563-565. 
张洁/编译

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