大家好，今天我们要来了解一个关于细胞外基质的有趣话题——《Matrix viscoelasticity controls spatio-temporal tissue organization》发表于《Nature materials》。细胞外基质的粘弹性对组织的时空组织起着重要作用，但这一作用尚未被完全理解。我们将通过这篇文档了解到，基质粘弹性如何影响乳腺上皮细胞组织和肠道类器官的生长，以及相关的计算模型如何帮助我们揭示其中的机制。希望能给大家带来一些启发。

*本文只作阅读笔记分享*

一、引言

组织在空间和时间上的模式对于许多生物过程至关重要，其受到细胞数量、大小、形状和位置变化的驱动，导致诸如屈曲、折叠、撕裂、萌芽、指状或分支等对称破缺不稳定性。在分子水平上，组织的时空组织由内在基因表达以及各种环境化学和机械线索调节。

一项关于明确模型基质的粘弹性在调节乳腺上皮生长和肠道类器官发育这两种常用的体外发育和病理模型中组织组织的作用的实验和计算研究。这些研究证明了应力松弛在决定组织生长动力学以及与指状形成相关的对称破缺不稳定性中的作用，这是形态发生和肿瘤发生的基本过程。

二、ECM 粘弹性调节上皮组织组织

2.1 实验设计

以海藻酸盐形成的水凝胶为模型基质，改变海藻酸盐的分子量和钙交联剂密度来改变基质的粘弹性（弹性模量G' = 5000Pa，应力松弛时间τm在30-350s之间变化）。

将MCF10A乳腺上皮细胞封装在水凝胶中形成球体（约2000个细胞）。

2.2 实验结果

组织生长和形态：弹性基质中的组织生长缓慢且形态稳定，保持球形对称；而粘弹性基质中的组织生长更快，出现形态不稳定、形成手指状突起并侵入基质，导致表面积显著增加，圆形度降低。

相关蛋白表达和定位：粘弹性基质促进磷酸化pFAK粘附的表达和形成，而弹性基质则没有；YAP在弹性基质中的细胞中保持在细胞质中，但在粘弹性基质中的手指状细胞中发生核易位。

上皮-间充质转化（EMT）：粘弹性基质中的细胞表现出EMT，如波形蛋白在手指状结构中表达，细胞角蛋白14在粘弹性基质中的球体细胞中表达降低，EMT转录因子Snail-1、Slug和Zeb1在粘弹性基质中的细胞中表达增加。

体内实验：将MDA-MB-231恶性乳腺上皮细胞或MCF10A球体分别封装在粘弹性或弹性基质中注射到小鼠体内，结果表明粘弹性基质中组织生长更快，且体内细胞表达更多的波形蛋白和Slug。

三、计算模型重现组织组织

3.1 模型构建

从包含在限制被动粘弹性基质内的主动增殖细胞的两相系统开始，考虑细胞间相互作用（包括短程排斥、中程吸引和细胞分裂驱动的主动增殖压力）、细胞与周围基质的排斥以及细胞的活动（用 motility 参数 M 表示）。

假设细胞在界面处能够对周围基质施加力，基质和细胞间的键在应变超过规定阈值时会断裂并形成新键，从而使两相边界动态演化。

3.2 模型参数和变量

定义了三个无量纲变量来表征缩放后的基质流动性、基质的被动机械松弛时间和组织的相对增殖能力：

μ=μt/μm，组织粘度μt与基质粘度μm的比值。

j =τs/τt，在无应力情况下向组织中添加一个细胞的恒定时间尺度τg与在有应力情况下向受限组织中添加一个细胞的时间尺度τt的比值。

A = τa/τm，细胞活动时间尺度τa = τg/ϵM（其中M是有效 motility，ϵ是细胞-细胞粘附强度）与基质松弛时间尺度τm=μm/G'（其中G'是剪切（存储）模量）的比值。

3.3 实验验证

细胞粘附和运动的影响：使用无细胞粘附配体的基质进行实验，发现组织生长缓慢且形态稳定，验证了细胞粘附和运动对组织生长的重要性。抑制 Rac1 或其下游分子 Arp2/3会抑制组织生长，而抑制 formin 则没有影响，表明Arp2/3复合体仅在粘弹性基质中调节集体细胞反应。

细胞增殖的影响：当模型中细胞增殖率受到抑制时，预测组织生长和不稳定性将显著降低，实验证实了这一预测。

基质刚度的影响：在模型中考虑基质刚度与细胞运动的关系（M∝G'），预测基质刚度增加在粘弹性基质中会增强组织形态不稳定，但在弹性基质中影响不大。通过修改基质的模量 G' 和独立控制松弛时间来验证这一预测，结果表明在低粘度基质中，G' 增加会导致组织生长和指状形成增加。

压力对组织形态稳定性的影响：开发了微流体系统来研究压力对组织形态稳定性的影响，发现当基质是粘弹性时，组织无法打破对称；而在弹性基质中，组织会因压力而打破对称并形成指状结构。

四、ECM 粘弹性驱动肠道类器官形态发生

4.1 实验设计

修改海藻酸盐基质系统以纳入Matrigel，形成不同刚度（G′为0.5kPa、1.5kPa、2.7kPa）的弹性和粘弹性基质。

培养Lgr5+干细胞形成肠道类器官。

4.2 实验结果

弹性基质中的类器官生长缓慢且形态稳定，而粘弹性基质中的类器官生长迅速、打破对称并形成手指状突起。

粘弹性基质中的肠道类器官表现出细胞模式和分化，代表了肠道发育，如高曲率组织区域集中了 Lgr5 + 干细胞。

增加粘弹性基质的G' 会导致肠道类器官生长更大、对称性破坏和手指形成增加，而在弹性基质中类器官生长更慢并保持球形对称。

抑制 Arp2/3复合体、FAK或细胞增殖会损害类器官的对称性破坏和萌芽，但 YAP 主要在细胞质中。

五、总结与展望

实验和模拟表明，粘弹性细胞外基质的被动特性可调节时空组织，所得相图量化了组织生长的稳定性

粘弹性和刚度对组织时空组织有协同但不同的影响，在所有粘弹性凝胶中都观察到组织生长和不稳定性，而在纯弹性凝胶中，改变刚度对组织生长的影响最小。

该研究为理解正常和病理状态下的组织形态和组织提供了框架，所得相图可能为再生医学中指导组织形态提供策略。

参考文献：

Elosegui-Artola A, et al. Matrix viscoelasticity controls spatiotemporal tissue organization. Nat Mater. 2023 Jan;22(1):117-127.