近期，荷蘭奈梅亨大學Paul Kouwer教授聯(lián)合深圳先進院劉開政博士、阮長順研究員以及河北工業(yè)大學袁宏博副教授，通過對比研究天然細胞外基質(zhì)和一種人工纖維水凝膠：螺旋聚異腈多肽水凝膠（PIC），在期刊Bioactive Materials上發(fā)表綜述文章：Cell-matrix reciprocity in 3D culture models with nonlinear elasticity，介紹了非線性力學性質(zhì)在細胞-基質(zhì)交互作用中的功能。
細胞-基質(zhì)雙向交互作用的示意圖，包括：纖維網(wǎng)絡密實化、基質(zhì)重塑、基質(zhì)硬度增加、長距離力學傳輸、新生蛋白沉積等
細胞在體內(nèi)處于高度動態(tài)且具有復雜成分的三維微環(huán)境，即天然細胞外基質(zhì)（ECM）。ECM為人體組織提供力學支撐以及維持組織穩(wěn)態(tài)、修復和再生所必需的生物化學和生物力學信號。近年來的研究表明，細胞和基質(zhì)之間持續(xù)進行著復雜的雙向力學交互作用：即細胞不僅能感受周圍的力學環(huán)境，還能夠主動地改造和重塑基質(zhì)的網(wǎng)絡結(jié)構和力學性質(zhì)，進而反饋于細胞功能調(diào)控。這種交互作用在維持組織穩(wěn)態(tài)中起到至關重要的核心作用。因此，在體外三維基質(zhì)模型設計中應該充分考慮體內(nèi)天然基質(zhì)的生物力學性質(zhì)。
天然ECM同時具有多種復雜的力學性質(zhì)，包括非線性力學性質(zhì)/應力剛化力學性質(zhì)（nonlinear mechanics/strain-stiffening）、粘彈性/應力松弛（viscoelasticity/stress relaxation）以及力學可塑性（plasticity）等等。本文著重探討了其中一種特性——應力剛化力學性質(zhì)，其特點是指人體組織受到一定外力后力學強度增加的現(xiàn)象。本文概述了該種性質(zhì)的定義、起源以及在細胞-基質(zhì)交互作用中所起到的調(diào)控及媒介作用。接下來，文章討論了兩種常用的天然細胞外基質(zhì)：膠原蛋白和纖維蛋白水凝膠，以及一種人工纖維水凝膠：PIC水凝膠。PIC擁有類似于生物凝膠的典型非線性力學性質(zhì)和纖維狀網(wǎng)絡結(jié)構，并具有力學性質(zhì)可調(diào)性。通過對比天然細胞外基質(zhì)和人工PIC水凝膠，綜述詳盡講解了上述材料的結(jié)構、用途、優(yōu)勢和缺陷，為3D細胞培養(yǎng)相關的生物物理基礎研究和組織工程應用提供新思路。
3D細胞-基質(zhì)交互作用研究模型的構建以及天然ECM的復雜力學性質(zhì)。
PIC水凝膠的化學合成示意圖、可逆溫敏性質(zhì)、層級纖維結(jié)構與非線性力學性質(zhì)。
原文信息：Liu, K., Wiendels, M., Yuan, H., Ruan, C., & Kouwer, P. H. (2021). Cell-matrix reciprocity in 3D culture models with nonlinear elasticity. Bioactive Materials.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X21003698
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.08.002
論文作者簡介
第一作者：劉開政助理研究員，荷蘭奈梅亨大學/中國科學院深圳先進技術研究院
深圳市海外高層次人才C類，曾入選歐盟地平線2020“瑪麗居里”ITN博士項目（2015年），獲得歐洲分子生物學會（EMBO）短期基金（2018年）。2014年本科畢業(yè)于南開大學，2015年碩士畢業(yè)于英國倫敦大學學院，2020年博士畢業(yè)于荷蘭奈梅亨大學。專注于三維微環(huán)境中的細胞-細胞外基質(zhì)力學交互作用。
聯(lián)系方式：kz.liu@siat.ac.cn
袁宏博副教授，河北工業(yè)大學
碩士生導師，河北省高層次留學引進人才，河北工業(yè)大學”元光學者”，2019年入選歐盟第七研究框架“瑪麗?居里學者”人才計劃，2020年獲得歐洲分子生物學組織（EMBO）短期訪問學者計劃，河北工業(yè)大學與荷蘭奈梅亨大學聯(lián)合培養(yǎng)雙博士。目前主持國家基金1項，河北省基金2項，并參與多項國家基金。主要研究領域為結(jié)合材料科學與生物物理交叉研究的優(yōu)勢，設計、構建非線性仿生水凝膠及刺激響應智能聚合物復合材料，研究細胞與基質(zhì)的相互作用以及對細胞的功能調(diào)控。
聯(lián)系方式：hongbo_yuan@hebut.edu.cn
阮長順研究員，中國科學院深圳先進技術研究院
博士生導師，國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者，廣東特支計劃青年拔尖人才，中國科學院青年促進會會員，深圳市海外高層次人才。重慶大學生物醫(yī)學工程博士，意大利羅馬第二大學博士后，香港大學訪問學者。長期致力于精準組織工程領域的新材料、新技術及新策略交叉科學研究，旨在通過系統(tǒng)性建立生物3D打印材料體系的可打印性、力學行為及生物活性等關鍵因素間相互影響規(guī)律，突破當前生物3D打印技術的宏微觀尺度精確性，提高所構筑組織工程體生物功能，實現(xiàn)復雜組織/器官快速精準組裝與功能重建;先后承擔多項國家及省市級項目基金，包括國自然基金、國家重點研發(fā)計劃等，累計科研經(jīng)費逾千萬元；以一作或者通訊作者發(fā)表學術論文30余篇，包括領域權威期刊：Advanced Functional Materials、Advanced Science、Bioactive Materials、Biomaterials及Biofabrication等；擔任中國康復醫(yī)學學會修復重建外科專業(yè)委員會常務委員、中國醫(yī)藥生物技術協(xié)會3D打印分會委員會委員、中國醫(yī)療保健國際交流促進會骨科分會委員、中國醫(yī)學裝備協(xié)會醫(yī)用增材制造專業(yè)委員會委員及國際華人骨研學會（ICMRS）終身會員；擔任Bio-Design and Manufacturing 副主編、Chinese Chemical Letters 青年編委。
聯(lián)系方式：cs.ruan@siat.ac.cn
通訊作者：Paul Kouwer教授，荷蘭奈梅亨大學
博士生導師，螺旋聚異腈水凝膠（PIC）發(fā)明人，2013年于Nature雜志發(fā)表文章Responsive biomimetic networks from polyisocyanopeptide hydrogels，首次報道了一種人工合成的非線性水凝膠材料。隨后基于PIC在Nature Communications (4篇)、Advanced Science以及Advanced Functional Materials等雜志發(fā)表多篇文章。專注于細胞外基質(zhì)的力學仿生人工材料及其生物醫(yī)學應用。
聯(lián)系方式：p.kouwer@science.ru.nl
