【细胞生物学笔记】细胞外基质

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一、细胞外基质的定义与组成

细胞外基质是多细胞生物中至关重要的组成部分，它是由细胞周围各种大分子组成的复杂网络。其中主要成分包括胶原蛋白、弹性蛋白、蛋白多糖和糖蛋白等。

胶原蛋白是细胞外基质中最重要的组成部分之一，它富含人体所需的甘氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸等氨基酸。在动物体内，胶原蛋白广泛存在于结缔组织、骨、软骨、皮肤、肌腱、韧带中，占哺乳动物体内蛋白质的 25%-30%，相当于体重的 6%。在细胞外基质中，胶原蛋白为组织提供支撑和强度，同时对于维持皮肤的弹性、防止皱纹的出现有非常重要的作用。

弹性蛋白赋予细胞外基质弹性，使其能够在受力后恢复原状。蛋白多糖则由蛋白质和多糖组成，在细胞外基质中起到保持水分、调节渗透压的作用。糖蛋白参与细胞间的识别和黏附。

研究表明，细胞外基质不仅仅起到和细胞进行物质交换的作用，还可以将细胞连接起来形成组织和器官。细胞质含有大量信号分子，积极参与控制细胞生长、极性、形状、迁移和代谢活动。对人类细胞的研究显示，细胞外间质中的纤维连接蛋白主要由成纤维细胞、上皮细胞等分泌，并附着在细胞表面，可以促进细胞与基质的粘附，细胞间的粘附和细胞内的粘附。研究结果表明，体外培养的转化成纤维细胞表面纤维蛋白含量降低，细胞形态变圆，附着物松散，细胞内应力纤维大大减少，细胞致密，细胞生长重叠。

二、细胞外基质的作用

（一）物质交换与组织构建

细胞外基质在多细胞生物中扮演着关键的角色，它不仅是细胞进行物质交换的重要场所，还能将细胞连接起来，共同构建组织和器官。细胞外基质就如同一个繁忙的交通枢纽，各种营养物质、信号分子和代谢产物在这里穿梭往来。例如，氧气、葡萄糖等营养物质通过细胞外基质被输送到细胞内，为细胞的生命活动提供能量；同时，细胞产生的代谢废物也通过细胞外基质被排出体外。此外，细胞外基质中的大分子物质，如胶原蛋白、弹性蛋白等，为细胞提供了一个稳定的物理支撑环境，使得细胞能够有序地排列和组合，形成具有特定结构和功能的组织和器官。

（二）影响细胞行为

细胞外基质对细胞的行为有着广泛而深刻的影响。首先，它在细胞的存活、生长与死亡中起着重要作用。正常真核细胞大多须粘附于特定的细胞外基质上才能抑制凋亡而存活，称为定着依赖性。例如，上皮细胞及内皮细胞一旦脱离了细胞外基质则会发生程序性死亡。不同的细胞外基质对细胞增殖的影响也不同，如成纤维细胞在纤粘连蛋白基质上增殖加快，在层粘连蛋白基质上增殖减慢；而上皮细胞对纤粘连蛋白及层粘连蛋白的增殖反应则相反。肿瘤细胞的增殖丧失了定着依赖性，可在半悬浮状态增殖。

细胞外基质还决定着细胞的形状。当细胞呈单个游离状态时多呈球形，而在不同的细胞外基质上粘附时可表现出完全不同的形状。这一作用是通过其受体影响细胞骨架的组装而实现的。不同细胞具有不同的细胞外基质，介导的细胞骨架组装的状况不同，从而表现出不同的形状。

在控制细胞分化方面，细胞通过与特定的细胞外基质成分作用而发生分化。例如，成肌细胞在纤粘连蛋白上增殖并保持未分化的表型；而在层粘连蛋白上则停止增殖，进行分化，融合为肌管。

此外，细胞外基质参与细胞的迁移。它可以控制细胞迁移的速度与方向，并为细胞迁移提供 “脚手架”。例如，纤粘连蛋白可促进成纤维细胞及角膜上皮细胞的迁移；层粘连蛋白可促进多种肿瘤细胞的迁移。细胞的趋化性与趋触性迁移皆依赖于细胞外基质，这在胚胎发育及创伤愈合中具有重要意义。细胞的迁移依赖于细胞的粘附与细胞骨架的组装，细胞粘附于一定的细胞外基质时诱导粘着斑的形成，粘着斑是联系细胞外基质与细胞骨架 “铆钉”。

三、细胞外基质在生物学中的重要性

（一）机械支撑

细胞外基质为细胞提供了至关重要的机械支撑。在骨骼和肌肉组织中，细胞外基质能够承受巨大的机械压力和张力，帮助肌肉运动和身体支撑。例如，胶原蛋白等成分在骨骼中形成坚固的网状结构，确保骨骼能够承受身体的重量和各种外力。在组织再生过程中，细胞外基质的机械支撑作用尤为明显。当组织受损时，细胞外基质为新生细胞提供了一个稳定的生长环境，促进细胞的增殖和分化，从而加速组织的修复。据研究，在某些组织再生的实验中，细胞外基质的存在可以使再生速度提高数倍。在癌细胞转移过程中，细胞外基质也起着重要作用。癌细胞会利用细胞外基质的结构和成分，改变自身的形态和运动能力，从而更容易侵入周围组织并转移到其他部位。

（二）形态决定

细胞外基质的化学和物理性质对细胞的形态和运动行为有着深远的影响。细胞外基质的孔隙大小、纤维排列和分布等物理性质决定了细胞的生长空间和方向。例如，在肝脏和肾脏中，不同种类的基质支持着不同的细胞形态和功能。肝脏中的细胞外基质较为疏松，有利于肝细胞进行物质交换和代谢活动；而肾脏中的细胞外基质则相对紧密，为肾脏细胞提供了更好的支撑和过滤功能。在癌细胞的浸润和转移过程中，细胞外基质的化学和物理性质也起到了关键作用。癌细胞会分泌一些酶类物质，改变细胞外基质的结构和成分，使其更有利于癌细胞的扩散。例如，癌细胞可以增加细胞外基质中的胶原蛋白降解酶的活性，破坏胶原蛋白的结构，从而为癌细胞的迁移开辟道路。

（三）信号转导

细胞外基质通常包含各种细胞黏附蛋白和生物分子，它们通过与细胞表面的受体结合，调节着细胞的生物学功能和行为。细胞外基质中的胶原蛋白和纤维连接蛋白可以直接影响细胞的分化和增殖。例如，当细胞与纤维连接蛋白结合时，会激活一系列信号通路，促进细胞的增殖和迁移。而细胞外基质中的生长因子和细胞因子则通过调节信号通路，影响着细胞的代谢和转录水平。这些细胞外基质与细胞之间信号转导的作用，为细胞的正常发育和成熟提供了重要机制。据统计，约有 70% 的细胞信号转导过程与细胞外基质有关。例如，在胚胎发育过程中，细胞外基质中的生长因子和细胞因子可以引导细胞的分化方向，促进器官的形成和发育。

四、生物制造方法与应用

（一）软光刻技术

软光刻微流控技术是一种基于模板的微制造技术，常用材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）。它可以与复杂几何形状的基板进行可逆的共形接触，具有高再现性和高横向分辨率。通过软光刻技术，可以制造出具有不同拓扑特征（如凹槽、坑或柱）的微结构，为模拟三维体内环境提供了一种途径。

利用微流体设备可以培养细胞并复制组织中的动态微环境，已开发出多种器官芯片模型，如肺芯片、心脏芯片、肝脏芯片、肠道芯片、血管芯片和脑瘤芯片等。这些模型在生理功能重建方面具有重要作用。以肺芯片为例，它可以模拟肺部的呼吸力学，为研究肺部疾病的发病机制和治疗方法提供了新的平台。心脏芯片可以模拟心脏的收缩和舒张功能，有助于研究心脏疾病的病理生理过程。肝脏芯片可以模拟肝脏的代谢和解毒功能，为药物研发提供了更接近人体生理的模型。

在药物发现和药理学研究中，器官芯片模型也发挥着重要作用。它们可以用于筛选药物的有效性和安全性，减少动物实验的需求。例如，通过肝脏芯片可以评估药物对肝脏的毒性，避免潜在的药物不良反应。在疾病建模方面，器官芯片可以模拟各种疾病状态，如癌症、心血管疾病和神经退行性疾病等，为研究疾病的发生发展机制提供了有力工具。

（二）化学定义的 ECM 类似物

天然聚合物：天然聚合物也称为生物衍生材料，可通过物理或化学方法提取。一些天然聚合物如明胶、海藻酸盐、纤维蛋白原和透明质酸等是水溶性的，可在细胞友好的无机溶剂中形成溶液或水凝胶，用于 3D 打印。然而，大多数天然聚合物需要通过点击化学进行功能化，如 Thiol-Michael 和 Diels-Alder 加成反应，以创建结构符合的 ECM 结构。

只有少数天然聚合物能满足组织 / 器官支架生物打印的所有基本要求，在生物打印过程中，它们在细胞和生物分子的活动、组织生成的调节以及生物人工器官的形成等方面发挥着重要作用。例如，脱细胞干细胞基质（DSCM）在干细胞微环境中可能提供一种扩增系统，用于生产大量高质量的细胞用于软骨组织工程和再生。

合成聚合物：合成聚合物在生物制造中也被广泛使用，包括聚乙二醇（PEG）、聚己内酯（PCL）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚（L - 乳酸）（PLA）和聚（乳酸 - 乙醇酸）（PLGA）等。它们可以被调整以符合目标组织和器官的特定降解和机械性能要求。

虽然一些限制（如使用有毒溶剂、熔点高于体温、难以封装细胞）可能阻碍其转化应用，但合成聚合物仍被开发为生物替代品，以解决使用天然生物聚合物在潜在治疗应用中的一些缺点，例如质量控制和单一细胞群体内的异质性问题，以及不同供应商或批次来源的可变性问题。为了改善细胞与合成聚合物的相互作用，通常需要对其进行广泛的功能化，如连接粘附肽或蛋白质片段。

脱细胞 ECM：脱细胞 ECM（dECM）是最接近天然 ECM 组成的复制品，它来源于天然组织，经过处理去除与细胞相关的物质，同时最大限度地保留不溶性 ECM 成分。由于 ECM 的主要不溶性成分，如胶原蛋白、纤连蛋白和层粘连蛋白，在多个物种中基本保守，因此由易于获得的异种 ECM 来源制备的 dECM 支架可能为维持人类细胞功能提供跨物种兼容的生物信号。

用于体外培养模型的 dECM 材料通常被简化为涂层、水凝胶或低 dECM 含量的纤维垫形式，难以定制其生物化学、拓扑结构和超微结构，这限制了其在制造更复杂的体外组织模型中的应用。