在细胞培养中，三维（3D）环境与二维（2D）环境相比，可以更好地模拟细胞的真实生理状态，从而影响细胞的生长、分化、迁移等多种行为。而细胞外基质（ECM）的粘弹性特性，即其对负载或变形的时间依赖性响应，是3D培养环境中一个重要的物理参数。本文将深入探讨3D培养中细胞外基质粘弹性作用机制，并阐述其对细胞行为的影响。其主要内容包括：
1. 3D培养与机械限制
2.细胞外基质粘弹性对细胞行为的影响
3.研究展望
*本文只作文献阅读笔记*
1.3D培养与机械限制
1.1三维培养的优势
与2D培养相比，3D培养可以提供更接近细胞真实生理环境的微环境，从而影响细胞的多种行为。例如，3D培养可以模拟细胞间的相互作用，例如细胞间粘附、信号传递和细胞竞争，从而影响细胞的命运。3D培养还可以模拟细胞与细胞外基质之间的相互作用，例如细胞粘附、外基质沉积和细胞外基质重塑，从而影响细胞的命运。此外，3D培养还可以模拟细胞内信号通路，例如YAP/TAZ信号通路和PI3K/Akt信号通路，从而影响细胞的命运。
细胞在3D环境中，其体积、形状和运动等过程会受到周围细胞外基质或细胞的物理限制，这种现象称为机械限制。机械限制对细胞的行为有着重要的影响，例如：
细胞迁移：细胞在受限的3D环境中，其迁移能力会受到限制，需要克服机械障碍才能进行迁移。例如，在具有较小孔隙的细胞外基质中，细胞需要分泌蛋白酶来降解细胞外基质，才能进行迁移。
细胞增殖：细胞在受限的3D环境中，其增殖能力会受到限制，需要更多的时间和能量才能完成增殖过程。例如，在具有较高粘弹性的细胞外基质中，细胞需要消耗更多的能量来进行增殖。
细胞外基质沉积：细胞在受限的3D环境中，其外基质沉积能力会受到限制，需要更多的时间和能量才能完成外基质沉积。例如，在具有较高粘弹性的细胞外基质中，细胞需要分泌更多的外基质成分才能形成足够厚度的细胞外基质层。
细胞分化：细胞在受限的3D环境中，其分化能力会受到限制，需要特定的信号和微环境才能进行分化。例如，在具有特定外基质组成和粘弹性的细胞外基质中，细胞可以更容易地分化成特定的细胞类型。
1.2机械限制的概念
孔隙大小：细胞外基质的孔隙大小会影响细胞的运动和迁移。例如，较小的孔隙会限制细胞的运动，而较大的孔隙则允许细胞自由运动。
降解性：细胞外基质的降解性会影响细胞的生长和代谢。例如，可降解的细胞外基质可以促进细胞的生长和代谢，而不可降解的细胞外基质则会限制细胞的生长和代谢。
粘弹性：细胞外基质的粘弹性会影响细胞的运动和形态。例如，粘弹性较高的细胞外基质可以提供更多的支持，而粘弹性较低的细胞外基质则会使细胞更容易变形。
2.细胞外基质粘弹性对细胞行为的影响
2.1粘弹性与细胞粘附和扩散
细胞外基质的粘弹性特性会影响细胞的粘附和扩散。例如，在具有较高粘弹性的细胞外基质中，细胞可以更容易地粘附和扩散。这是因为粘弹性材料可以提供更多的能量来支持细胞的运动，从而减少细胞与细胞外基质之间的摩擦力。此外，粘弹性材料可以影响粘附分子的活性和稳定性，从而影响细胞的粘附。例如，粘弹性材料可以促进粘附分子的聚集，从而增强细胞的粘附。
2.2粘弹性与细胞周期
细胞外基质的粘弹性特性也会影响细胞的周期进程。例如，在具有较高粘弹性的细胞外基质中，细胞可以更快地完成细胞周期。这是因为粘弹性材料可以提供更多的能量来支持细胞的分裂，从而减少细胞与细胞外基质之间的能量损失。此外，粘弹性材料可以影响细胞周期调控因子的活性和稳定性，从而影响细胞的周期进程。例如，粘弹性材料可以促进细胞周期蛋白的激活，从而加快细胞周期的进程。
2.3粘弹性与细胞外基质沉积
细胞外基质的粘弹性特性还会影响细胞外基质的沉积。例如，在具有较高粘弹性的细胞外基质中，细胞可以形成更厚的细胞外基质层。这是因为粘弹性材料可以提供更多的能量来支持细胞外基质的沉积，从而减少细胞与细胞外基质之间的能量损失。此外，粘弹性材料可以影响外基质合成酶的活性和稳定性，从而影响细胞外基质的沉积。例如，粘弹性材料可以促进外基质合成酶的活性，从而加速细胞外基质的沉积。
2.4粘弹性与细胞迁移
细胞外基质的粘弹性特性还会影响细胞的迁移。例如，在具有较高粘弹性的细胞外基质中，细胞可以更容易地迁移。这是因为粘弹性材料可以提供更多的能量来支持细胞的运动，从而减少细胞与细胞外基质之间的摩擦力。此外，粘弹性材料可以影响细胞运动器官的效率和能量消耗，从而影响细胞的迁移。例如，粘弹性材料可以促进细胞伪足的形成和伸展，从而增强细胞的迁移能力。
2.5粘弹性与细胞分化
细胞外基质的粘弹性特性还会影响细胞的分化。例如，在具有较高粘弹性的细胞外基质中，细胞可以更容易地分化成特定的细胞类型。这是因为粘弹性材料可以提供更多的能量来支持细胞分化的信号通路，从而促进细胞分化的进程。此外，粘弹性材料可以影响细胞命运决定因子的活性和稳定性，从而影响细胞的分化。例如，粘弹性材料可以促进细胞命运决定因子的表达，从而促进细胞分化。
3.研究展望
3.1进一步研究粘弹性和粘塑性
开发新的粘弹性测量方法：开发新的粘弹性测量方法，例如多频率共振弹性成像，可以更精确地测量细胞外基质的粘弹性和粘塑性。
研究粘弹性和粘塑性随时间的变化：研究粘弹性和粘塑性随时间的变化，可以更好地了解细胞外基质在细胞培养过程中的动态变化。
研究不同类型细胞的粘弹性响应：研究不同类型细胞的粘弹性响应，可以更好地了解细胞外基质对不同类型细胞的调控作用。
3.2研究粘弹性与细胞外基质相互作用
开发新的细胞外基质模型：开发新的细胞外基质模型，例如多组分细胞外基质模型，可以更精确地模拟细胞外基质的复杂特性。
研究细胞与细胞外基质之间的相互作用机制：研究细胞与细胞外基质之间的相互作用机制，可以更好地了解粘弹性对细胞行为的影响。
研究粘弹性与细胞外基质重塑之间的关系：研究粘弹性与细胞外基质重塑之间的关系，可以更好地了解细胞外基质在细胞培养过程中的动态变化。
3.3开发具有可控粘弹性的生物材料
开发基于聚合物的生物材料：开发基于聚合物的生物材料，例如聚乙二醇（PEG）水凝胶和藻酸盐水凝胶，可以通过调节交联密度和分子量来控制其粘弹性和粘塑性。
开发基于纳米纤维的生物材料：开发基于纳米纤维的生物材料，例如胶原蛋白纳米纤维和弹性蛋白纳米纤维，可以通过调节纤维间距和排列方式来控制其粘弹性和粘塑性。
开发基于多尺度结构的生物材料：开发基于多尺度结构的生物材料，例如多孔水凝胶和纤维增强水凝胶，可以通过调节孔隙大小和纤维排列方式来控制其粘弹性和粘塑性。
总结：
细胞外基质的粘弹性特性是3D培养环境中一个重要的物理参数，它对细胞的行为有着复杂的影响。需要进一步研究粘弹性和粘塑性，以及粘弹性与细胞外基质相互作用之间的关系，以更好地理解其在组织工程和再生医学中的应用。开发具有可控粘弹性的生物材料，可以为构建更接近细胞真实生理环境的微环境提供新的工具，从而促进组织工程和再生医学的发展。
参考文献
Chaudhuri O, et al. Effects of extracellular matrix viscoelasticity on cellular behaviour. Nature. 2020 Aug;584(7822):535-546.
