研究简介
首先，通过计算模型预测了应力松弛对细胞铺展的影响。模型预测，在低初始弹性模量和高配体密度下，相对于弹性基底，粘弹性基底上细胞的铺展会增加。实验使用纯弹性或粘弹性的海藻酸盐水凝胶作为细胞粘附基底，证实了这些预测。研究发现，即使在软性粘弹性基底上，细胞也能像在更硬的弹性基底上一样铺展。
研究进一步探讨了粘弹性基底上细胞铺展的机制。实验表明，与弹性基底相比，在低弹性模量和高配体密度下，粘弹性基底上的细胞铺展通过β1整合素、肌动蛋白聚合和肌动球蛋白收缩力介导。此外，应力松弛还导致YAP转录因子的核转位增加，这是细胞在二维基底上机械传导的关键转录因子。与YAP核转位增加一致的是，与相同初始弹性模量的弹性基底相比，应力松弛基底上的细胞增殖增加。
研究还探讨了基底应力松弛对细胞行为的影响是否与基底的局部重塑有关。计算模型预测和实验发现，与弹性基底相比，应力松弛基底上的细胞铺展与基底流动和塑性变形有关。此外，与共价交联基底相比，离子交联基底上的RGD-海藻酸盐的局部聚集更多，这表明应力松弛基底上的细胞铺展与局部基底重塑有关。
讨论部分指出，这些发现表明，与刚度一样，基底应力松弛是模型ECM的一个基本物理属性，对细胞行为和功能有显著影响。应力松弛的效应通过整合素粘附和肌动球蛋白收缩力介导，并增加了YAP的核转位。这表明增加的应力松弛可以补偿较低刚度的基质。与这一观点一致的是，与相同初始弹性模量的弹性基底相比，应力松弛基底上的细胞铺展和增殖增加。对机械线索的肌动蛋白骨架重组在几秒钟内开始，并在几分钟到几小时内达到平衡，这与细胞在此处观察到的分钟级别的应力松弛响应一致。
以往的研究使用纯弹性基底培养的细胞发现，由于细胞牵引应力的增加，储存的弹性能量随着基底模量的增加而增加；然而，这如何转化为粘弹性基底尚不清楚。一种可能性是，通过基质屈服的能量耗散，以及由此减少的储存能量，使得细胞在粘弹性基底上相对于相同弹性的纯弹性基底能够产生更多的功，这可能使得细胞铺展成为可能。事实上，计算模型预测并实验发现，基底流动和塑性变形与应力松弛基底上的细胞铺展相关。
由于RGD聚集已知影响细胞粘附和铺展，并促进整合素信号传导，细胞在应力松弛基底上通过机械聚集配体的能力可能激活细胞的铺展行为。计算模型的发现表明，这种行为可能是分子离合器基粘附的一个内在但意外的结果。最近的一项研究表明，增加聚丙烯酰胺基底的损耗模量可以增加细胞铺展。然而，由于这些基底的共价交联和相关的恒定存储模量，以及可能由于调节损耗模量的方法引起的孔径变化，那项研究中增强细胞铺展的机制可能与本研究不同。有趣的是，我们的结果可能部分解释了为什么在最近一篇论文中观察到在软但高度应力松弛的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上高细胞铺展。总体而言，我们的结果表明，机械传导仅通过细胞感知对牵引力的阻力这一假设对于软粘弹性基底上的细胞是不成立的。由于生理细胞外基质通常表现出不同程度的应力松弛，这一发现强调了考虑基质应力松弛作为ECM的一个基本属性的重要性，这对于理解细胞-ECM相互作用的基本原理和机械传导的生物物理基础至关重要。
综上所述，本研究提供了对细胞如何感知和响应粘弹性ECM的新见解，并强调了在研究细胞力学传导时考虑基底应力松弛的重要性。这些发现不仅增进了我们对细胞-ECM相互作用的理解，而且可能对生物材料的设计和组织工程的应用产生重要影响。
链接：https://doi.org/10.1038/ncomms7365
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