基底刚度对细胞生物学行为作用的研究进展

邓波儿 孔为民

首都医科大学附属北京妇产医院妇瘤科，北京 100006

细胞微环境是由细胞成份和非细胞成份组成的复杂支架，为细胞的生长提供了物理和化学基础。一般认为，与细胞生长相关的物理因素主要包括：流体静力压、剪切力、压缩力、张力和刚度等。刚度是微纳力学的重要参数之一，可理解为物质的硬度。研究发现，基底刚度在细胞的生长、活性、分化和迁移等生物学过程中均发挥着重要作用[1]。随着基底刚度的改变，特定的刚度刺激可使细胞表现出一定的分化、表达趋势[2]。然而，基底刚度如何调控细胞的生物学行为的相关研究少见，本文拟对基底刚度变化在细胞中的作用机制作综述总结。

1 基底刚度概述

细胞外基质的弹性模量在生物学上常被称为“刚度”。这种特性在体内并不是静态的，通常是以高度复杂的梯度显示，如组织界面处的刚度梯度、骨和软骨组织之间的转化等。基底刚度指细胞外环境的刚度，可理解为细胞生长环境的硬度。借由原子力显微镜的发展和应用，细胞和组织的刚度已经可以在实验室内进行测量[3]。人体皮肤弹性模量在2～20 kPa[4-5]，而人脑组织的弹性模量仅为1～2 kPa[6]。事实上，很多疾病的发生、发展都与相关组织力学性能的改变密不可分。如动脉粥样硬化性疾病，随着血管内脂质的沉积、血管壁基质改变及血管内皮细胞和平滑肌细胞的逐渐迁移，导致血管壁的刚度增加。因此，充分认识基底刚度对细胞的影响对理解疾病进展十分重要。

2 基底刚度对正常细胞行为的影响

基底刚度对于锚定依赖细胞的行为有着深远的影响，基底刚度主要通过聚集细胞表面整合素将产生的力学信号转导进入胞内，影响细胞生长及细胞因子分泌，也可以通过细胞骨架重塑影响细胞运动。整合素是一种黏附分子，由非共价结合的α 亚基和β 亚基配对形成异二聚体，主要参与细胞和细胞外基质之间的黏附[7]。整合素通过细胞膜内侧的支架蛋白与细胞骨架相连，向外与细胞外基质的特定配体蛋白相结合[8]。这种结构称为黏附复合物，在细胞与细胞外基质的黏附过程中发挥着重要作用。

2.1 基底刚度对细胞形态的影响

细胞的形态基于外部生物力和细胞内部力之间的平衡，即通过基底刚度和生物力来控制。Melica 等[9]在梯度为0.2～50.0 kPa 的水凝胶基底表面培养肾祖细胞（renal progenitor cell，RPC），结果发现在较软的基底上培养的RPC 铺展面积较小，在较硬的基底上RPC 则以单个细胞的形式生长，铺展面积更大，展现出板状伪足，可见RPC 能通过改变其形态和形状来响应基底刚度的变化。

2.2 基底刚度对正常细胞增殖活性的影响

基底刚度直接影响着细胞的增殖情况和倍增时间。卢方理等[10]研究了在不同基底刚度上生长的血管内皮细胞增殖、凋亡及形态的差异，结果发现较大的基底刚度更有利于内皮细胞骨架的伸展和细胞增殖，同时降低了细胞凋亡率。Wu 等[11]还发现，不同基底刚度上生长的神经元细胞突起的长度、迁移、增殖和形态均不相同。由此可见，细胞的增殖状态和细胞活力等与细胞外基质的力学特性有着密切的关系。

2.3 基底刚度对细胞迁移的影响

Gouveia 等[12]在不同刚度梯度上观察了人眼角膜上皮干细胞的迁移能力，在较软的基底上细胞移动速度较慢[（20±2）μm/h]，而在较硬基底上细胞的移动速度较快[（26±2）μm/h]，两者比较差异有统计学意义（P=0.016）。这可能与基底刚度改变了角膜上皮干细胞的表型有关，在不同刚度组之间Wnt/β-Catenin 信号通路的多个因子均表现出差异，这可能是基底刚度影响角膜上皮干细胞迁移的机制之一。

2.4 基底刚度对正常细胞分化的影响

基底刚度还参与了细胞的分化过程，改变基底刚度参数可以调整干细胞分化方向。Xie 等[13]对不同刚度上的脂肪基质细胞的分化进行了研究，发现刚性诱导β-catenin 信号转导失衡，并最终导致较硬基底上的脂肪基质细胞成骨能力增强，脂肪生成能力减弱。Liu 等[14]也发现，在较硬基底上培养的青光眼患者筛板细胞，细胞骨架系统更成熟，随着肌动蛋白的发育，细胞的铺展面积明显增大；并引起了肌纤维母细胞表型，促进了青光眼患者筛板细胞的重塑和纤维化。

2.5 基底刚度对正常细胞表型的影响

在动脉粥样硬化疾病中普遍存在着细胞外环境硬度的增加，这种硬度改变可能激活了组织内的免疫细胞。Okamoto 等[15]研究发现，较软基底可弱化炎症细胞的活性，在较软基底上单核细胞表达的标志物和吞噬活性均低于较硬基底上的细胞，结果提示基底刚度是促炎和抗炎平衡的重要因素。Mennens 等[16]研究发现，基底刚度可以影响成熟树突状细胞CD83、CCR7 和整合素的表达，其中CCR7 导致趋化因子定向迁移的改变。Zeng 等[17]也发现较硬的基底更有利于触发抗原和B 细胞受体，表明基底刚度可能对免疫反应的调节有着重要作用。

2.6 基底刚度对正常细胞功能的影响

基底刚度不仅影响着细胞的生长、增殖等基本过程，还对细胞功能产生一定作用。Wen 等[18]研究发现，海马神经元细胞在不同基底刚度上的电压门控Ca2+电流不同，表明基底刚度在调节神经网络活性中起着直接作用，可以影响神经元活动。Nguyen 等[19]研究发现，基底刚度对心肌细胞的肌电信号传递起着重要作用。较软基底将更有利于心肌信号传递；相反，心肌梗死后，由于炎症细胞释放的炎症介质和基质金属蛋白酶降解了细胞外基质和瘢痕形成，最后形成了成熟的富含胶原蛋白的修复性瘢痕[20]。这一过程导致心肌梗死后基底刚度的增加，并对心肌功能的协同造成不利影响。

3 基底刚度对肿瘤细胞的影响

3.1 基底刚度对肿瘤细胞形态的影响

研究发现，随着肿瘤的进展，基底刚度往往表现为增加的趋势。这种变化在肿瘤向晚期发展中更为常见，为肿瘤的侵袭和转移提供了帮助[21]。赵轩宇等[22]研究了在不同基底刚度上生长的宫颈癌HeLa 细胞的生物学行为，结果发现：HeLa 细胞在更大的基底刚度上，表现为细胞铺展面积增加，细胞倍增时间缩短，并且细胞骨架更加成熟。

3.2 基底刚度对肿瘤细胞迁移的影响

细胞的黏附和迁移在多种细胞生理过程中都起着关键作用。对于肿瘤细胞来说，细胞的迁移能力十分重要，直接影响着肿瘤细胞扩散和迁移的能力。一般情况下，生物组织往往表现为一定的刚度，但肿瘤组织作为新的组织，可能改变正常组织原有的刚度，并使肿瘤细胞更易于迁移。Peng 等[23]利用不同刚度的聚丙烯酰胺基底模拟乳腺癌的体内分期，分析了基底刚度与细胞运动的关系。研究发现，基底刚度通过整合素的激活介导特殊的细胞传导通路，并促进细胞的迁移[24]。上皮向间质转化是肿瘤细胞转移和侵袭性增加的基本生物过程之一，基底刚度可能通过这一机制调节细胞的迁移能力。Shukla 等[25]对基底刚度和肺腺癌细胞A549 的迁移行为进行了研究，结果发现基底刚度通过调节局部黏附信号，从而调节肺癌细胞的迁移。这使得人们注意到刚度的改变与细胞黏附、迁移的关系，可能与肿瘤的发展和侵袭相关。Zhao 等[26]研究显示，随着腺样囊性细胞癌的进展，基底刚度的增加可以使基质金属蛋白酶的表达增加，而基质金属蛋白酶抑制剂2 和4 的表达下降，可能成为治疗腺样细胞癌的新靶点。

3.3 基底刚度对肿瘤细胞抗肿瘤药物敏感性的影响

基底刚度不仅影响肿瘤的发生发展，还会改变肿瘤对抗肿瘤药物的敏感性。Feng 等[27]研究了不同基底刚度乳腺癌MCF-7 细胞对顺铂和紫杉醇的药物反应，结果表明在较软的基底上，MCF-7 细胞表现出了对抗肿瘤药物的细胞毒性的抵抗性。焦思萌等[28]对宫颈癌HeLa 细胞进行了研究，结果发现在相同的顺铂浓度作用下，随着基底刚度的增加HeLa 细胞的存活率呈下降趋势。即基底刚度越大，肿瘤细胞的顺铂敏感性越高。因此，将刚度作为一项指标筛选用药群体或许为提高临床药物效果提供了一种新的可能。

3.4 基底刚度与肿瘤细胞刚度的关系

基底刚度还影响着肿瘤细胞的刚度。一般认为，肿瘤细胞比良性细胞更软，而肿瘤组织在进展中往往表现为刚度增加，即逐渐变硬的趋势[29]。Chiang 等[30]对不同基底刚度上的L02 细胞和M3 细胞进行了细胞刚度的测量，结果发现随着基底刚度的增加（0.54～33.70 kPa）细胞刚度也趋向于增加，但二者不存在线性关系。两者的关系是否受刚度梯度和细胞种类的影响尚不清楚，需要进一步研究证实。

3.5 基底刚度对肿瘤细胞表型的作用

肿瘤细胞在不同刚度表面上培养时，肿瘤细胞会发生显著的表型变化[31]。PD-L1 是肿瘤免疫逃逸的重要机制之一，Miyazawa 等[32]对HCC827 肺腺癌细胞进行研究发现，较硬基底上的肌动蛋白应力纤维更丰富并且促进了PD-L1 的表达，表明基底刚度可以通过改变肿瘤细胞的表型，促进肿瘤免疫逃逸并进一步影响肿瘤的生长。Piao 等[33]采用不同刚度的人工基底对宫颈癌细胞株上皮-间充质转化的过程进行了研究，结果发现在20 kPa 的刚度上培养的宫颈癌细胞株的上皮-间充质转化能力最强，表明基底刚度的改变对细胞表型及细胞分化有影响作用，并可能与肿瘤的发展密切相关。

肿瘤在发展过程中必须进行血管生成，基底刚度的增加也促进着这一过程。Zhao 等[34]在不同基底刚度上对肺癌细胞系A549 和人脐静脉内皮细胞进行了单独培养和共同培养，结果发现，基质金属蛋白酶和血管生成相关因子的表达随着基底刚度的增加而上调，且基质金属蛋白酶的组织抑制剂的表达随着基底刚度的增加而下调，提示肿瘤组织增加的基底刚度可能促进肺癌的迁移和血管生成能力。

4 小结

综上所述，基底刚度作为细胞微环境的物理因素之一，对于正常细胞和肿瘤细胞都有着重要的影响，尤其在肿瘤的发生和转移中有着不可忽视的作用，或可作为新的切入点为改善肿瘤的药物治疗提供帮助。此外，在开展体外细胞实验或药物动力学研究时，除生物化学因素外，应该充分考虑体内组织的基底刚度这一参数，尽可能地还原体内真实的细胞微环境，以得到可靠的实验结果。