研究简介
ECM的力学特性：ECM的刚度、粘弹性和可降解性是调节3D中细胞行为的关键参数。例如，I型胶原（Col I）是人体中最丰富的蛋白质，其力学特性复杂，包括不同的刚度级别、非线性弹性、粘弹性和塑性。这些特性如何影响细胞行为，尤其是在3D培养条件下，是研究的重点。
细胞-ECM在3D中的相互作用：在3D环境中，细胞与ECM的相互作用更为复杂。细胞在3D中可以形成全方位的粘附，这与2D条件下的单面粘附不同，影响了细胞信号传导。此外，3D中的细胞-ECM粘附结构与2D中的也有所不同，例如，细胞在3D中通常不会形成大型的粘着斑。
3D机械转导的机制：机械转导涉及两大类膜蛋白——整合素和机械敏感性离子通道。整合素介导的机械转导在3D中仍然起着核心作用，但与2D中相比，其下游分子事件尚不清楚。另一方面，细胞体积的主动调节和机械敏感性离子通道的激活在3D机械转导中尤为重要，尤其是在感知机械限制方面。
细胞核的机械转导：细胞核作为转录的中心，是机械转导途径的关键元素。细胞核膜通过核骨架-细胞骨架连接蛋白（LINC）复合体与肌动蛋白细胞骨架机械连接。尽管在2D研究中已经明确了核形态变化与机械转导之间的联系，但在3D中这种联系可能有所不同。
机械转导在组织中的作用：细胞-ECM机械转导在组织生理学中扮演着重要角色，从发育到疾病。例如，在发育过程中，基底膜的分泌和降解触发了小鼠胚泡腔的形成和胚胎形成。在成年个体中，机械转导调节行为维持稳态和正常活动。
疾病中的作用：衰老会破坏组织特性并改变稳态机械感应，进一步强化疾病表型。在衰老过程中，皮肤基底膜变薄，而视网膜和血脑屏障的基底膜增厚。此外，组织纤维化涉及ECM的过度沉积和异常组织力学，与许多死亡有关。在癌症进展中，肿瘤微环境，包括ECM力学，起着关键作用。
3D培养模型的局限性和未来方向：尽管已有重大见解，但3D中细胞-ECM机械转导的知识仍存在关键空白。具体来说，除了整合素和机械敏感性离子通道之外，如何在3D环境中传递机械线索尚不清楚。此外，亚细胞细胞骨架结构、下游机械转导分子、特定途径、染色质重塑酶和转录因子的事件和集合，这些在3D中调节机械转导的机制仍需进一步探索。
机械治疗的潜力：对机械转导的深入理解不仅有助于理解细胞和组织生理学，还可以推动机械治疗领域的发展。例如，通过改变植入物的刚度来减少纤维化，或者通过靶向机械转导来减少皮肤移植后的纤维化。这些发现强调了在再生医学中选择和使用生物材料时考虑机械转导的重要性。
链接：https://doi.org/10.1038/s41580-023-00583-1
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