基底剛度對細胞生物學行為作用的研究進展

鄧波兒 孔為民

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

細胞微環(huán)境是由細胞成份和非細胞成份組成的復雜支架，為細胞的生長提供了物理和化學基礎。一般認為，與細胞生長相關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。剛度是微納力學的重要參數(shù)之一，可理解為物質的硬度。研究發(fā)現(xiàn)，基底剛度在細胞的生長、活性、分化和遷移等生物學過程中均發(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胞表現(xiàn)出一定的分化、表達趨勢[2]。然而，基底剛度如何調控細胞的生物學行為的相關研究少見，本文擬對基底剛度變化在細胞中的作用機制作綜述總結。

1 基底剛度概述

細胞外基質的彈性模量在生物學上常被稱為“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化等。基底剛度指細胞外環(huán)境的剛度，可理解為細胞生長環(huán)境的硬度。借由原子力顯微鏡的發(fā)展和應用，細胞和組織的剛度已經(jīng)可以在實驗室內(nèi)進行測量[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僅為1～2 kPa[6]。事實上，很多疾病的發(fā)生、發(fā)展都與相關組織力學性能的改變密不可分。如動脈粥樣硬化性疾病，隨著血管內(nèi)脂質的沉積、血管壁基質改變及血管內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞的逐漸遷移，導致血管壁的剛度增加。因此，充分認識基底剛度對細胞的影響對理解疾病進展十分重要。

2 基底剛度對正常細胞行為的影響

基底剛度對于錨定依賴細胞的行為有著深遠的影響，基底剛度主要通過聚集細胞表面整合素將產(chǎn)生的力學信號轉導進入胞內(nèi)，影響細胞生長及細胞因子分泌，也可以通過細胞骨架重塑影響細胞運動。整合素是一種黏附分子，由非共價結合的α 亞基和β 亞基配對形成異二聚體，主要參與細胞和細胞外基質之間的黏附[7]。整合素通過細胞膜內(nèi)側的支架蛋白與細胞骨架相連，向外與細胞外基質的特定配體蛋白相結合[8]。這種結構稱為黏附復合物，在細胞與細胞外基質的黏附過程中發(fā)揮著重要作用。

2.1 基底剛度對細胞形態(tài)的影響

細胞的形態(tài)基于外部生物力和細胞內(nèi)部力之間的平衡，即通過基底剛度和生物力來控制。Melica 等[9]在梯度為0.2～50.0 kPa 的水凝膠基底表面培養(yǎng)腎祖細胞（renal progenitor cell，RPC），結果發(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 則以單個細胞的形式生長，鋪展面積更大，展現(xiàn)出板狀偽足，可見RPC 能通過改變其形態(tài)和形狀來響應基底剛度的變化。

2.2 基底剛度對正常細胞增殖活性的影響

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

2.3 基底剛度對細胞遷移的影響

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

2.4 基底剛度對正常細胞分化的影響

基底剛度還參與了細胞的分化過程，改變基底剛度參數(shù)可以調整干細胞分化方向。Xie 等[13]對不同剛度上的脂肪基質細胞的分化進行了研究，發(fā)現(xiàn)剛性誘導β-catenin 信號轉導失衡，并最終導致較硬基底上的脂肪基質細胞成骨能力增強，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胞，細胞骨架系統(tǒng)更成熟，隨著肌動蛋白的發(fā)育，細胞的鋪展面積明顯增大；并引起了肌纖維母細胞表型，促進了青光眼患者篩板細胞的重塑和纖維化。

2.5 基底剛度對正常細胞表型的影響

在動脈粥樣硬化疾病中普遍存在著細胞外環(huán)境硬度的增加，這種硬度改變可能激活了組織內(nèi)的免疫細胞。Okamoto 等[15]研究發(fā)現(xiàn)，較軟基底可弱化炎癥細胞的活性，在較軟基底上單核細胞表達的標志物和吞噬活性均低于較硬基底上的細胞，結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突狀細胞CD83、CCR7 和整合素的表達，其中CCR7 導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 細胞受體，表明基底剛度可能對免疫反應的調節(jié)有著重要作用。

2.6 基底剛度對正常細胞功能的影響

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

3 基底剛度對腫瘤細胞的影響

3.1 基底剛度對腫瘤細胞形態(tài)的影響

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

3.2 基底剛度對腫瘤細胞遷移的影響

細胞的黏附和遷移在多種細胞生理過程中都起著關鍵作用。對于腫瘤細胞來說，細胞的遷移能力十分重要，直接影響著腫瘤細胞擴散和遷移的能力。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胞運動的關系。研究發(fā)現(xiàn)，基底剛度通過整合素的激活介導特殊的細胞傳導通路，并促進細胞的遷移[24]。上皮向間質轉化是腫瘤細胞轉移和侵襲性增加的基本生物過程之一，基底剛度可能通過這一機制調節(jié)細胞的遷移能力。Shukla 等[25]對基底剛度和肺腺癌細胞A549 的遷移行為進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)基底剛度通過調節(jié)局部黏附信號，從而調節(jié)肺癌細胞的遷移。這使得人們注意到剛度的改變與細胞黏附、遷移的關系，可能與腫瘤的發(fā)展和侵襲相關。Zhao 等[26]研究顯示，隨著腺樣囊性細胞癌的進展，基底剛度的增加可以使基質金屬蛋白酶的表達增加，而基質金屬蛋白酶抑制劑2 和4 的表達下降，可能成為治療腺樣細胞癌的新靶點。

3.3 基底剛度對腫瘤細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，還會改變腫瘤對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 細胞對順鉑和紫杉醇的藥物反應，結果表明在較軟的基底上，MCF-7 細胞表現(xiàn)出了對抗腫瘤藥物的細胞毒性的抵抗性。焦思萌等[28]對宮頸癌HeLa 細胞進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)在相同的順鉑濃度作用下，隨著基底剛度的增加HeLa 細胞的存活率呈下降趨勢。即基底剛度越大，腫瘤細胞的順鉑敏感性越高。因此，將剛度作為一項指標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 基底剛度與腫瘤細胞剛度的關系

基底剛度還影響著腫瘤細胞的剛度。一般認為，腫瘤細胞比良性細胞更軟，而腫瘤組織在進展中往往表現(xiàn)為剛度增加，即逐漸變硬的趨勢[29]。Chiang 等[30]對不同基底剛度上的L02 細胞和M3 細胞進行了細胞剛度的測量，結果發(fā)現(xiàn)隨著基底剛度的增加（0.54～33.70 kPa）細胞剛度也趨向于增加，但二者不存在線性關系。兩者的關系是否受剛度梯度和細胞種類的影響尚不清楚，需要進一步研究證實。

3.5 基底剛度對腫瘤細胞表型的作用

腫瘤細胞在不同剛度表面上培養(yǎng)時，腫瘤細胞會發(fā)生顯著的表型變化[31]。PD-L1 是腫瘤免疫逃逸的重要機制之一，Miyazawa 等[32]對HCC827 肺腺癌細胞進行研究發(fā)現(xiàn)，較硬基底上的肌動蛋白應力纖維更豐富并且促進了PD-L1 的表達，表明基底剛度可以通過改變腫瘤細胞的表型，促進腫瘤免疫逃逸并進一步影響腫瘤的生長。Piao 等[33]采用不同剛度的人工基底對宮頸癌細胞株上皮-間充質轉化的過程進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)在20 kPa 的剛度上培養(yǎng)的宮頸癌細胞株的上皮-間充質轉化能力最強，表明基底剛度的改變對細胞表型及細胞分化有影響作用，并可能與腫瘤的發(fā)展密切相關。

腫瘤在發(fā)展過程中必須進行血管生成，基底剛度的增加也促進著這一過程。Zhao 等[34]在不同基底剛度上對肺癌細胞系A549 和人臍靜脈內(nèi)皮細胞進行了單獨培養(yǎng)和共同培養(yǎng)，結果發(fā)現(xiàn)，基質金屬蛋白酶和血管生成相關因子的表達隨著基底剛度的增加而上調，且基質金屬蛋白酶的組織抑制劑的表達隨著基底剛度的增加而下調，提示腫瘤組織增加的基底剛度可能促進肺癌的遷移和血管生成能力。

4 小結

綜上所述，基底剛度作為細胞微環(huán)境的物理因素之一，對于正常細胞和腫瘤細胞都有著重要的影響，尤其在腫瘤的發(fā)生和轉移中有著不可忽視的作用，或可作為新的切入點為改善腫瘤的藥物治療提供幫助。此外，在開展體外細胞實驗或藥物動力學研究時，除生物化學因素外，應該充分考慮體內(nèi)組織的基底剛度這一參數(shù)，盡可能地還原體內(nèi)真實的細胞微環(huán)境，以得到可靠的實驗結果。