高精度3D打印仿生ECM助力組織類微納結構對細胞行為調控機制的探究
從物質層面看器官的核心組分是細胞及貫穿于其中的微納結構（通常稱之為ECM，細胞外基質）。ECM是一個尺度在數個微米到幾百納米的復雜三維網絡，作為骨架與細胞協同，行使并發揮出器官的功能。一個重要的科學問題就是微納結構如何對細胞施加影響？然而天然的ECM結構微納特征異常復雜，除了微納結構外還耦合生化信號，導致目前相關研究受生化信號干擾較大，易出現彼此矛盾的研究結果，不利于量化探究微納結構對細胞的調控機制。
為此，EFL團隊提出使用高精度3D打印手段在體外精確重建具有異質拓撲結構的工程化ECM，從而消除復雜生化信號對研究的干擾。利用構建的工程化ECM可以量化ECM-細胞相互作用的規律，推動ECM-細胞相互作用的研究。相關研究成果以“Morphology Guided Cellular Behavior Modulation with 3D Printed Engineered ECM”為題，發表于Cell子刊《Cell Biomaterials》上。浙江大學機械工程學院賀永教授、孫元博士后為該論文共同通訊作者，劉念博士、史洋博士為該論文共同第一作者。
該研究主要從三個視角來闡明異質ECM與細胞的相互作用：①細胞更喜愛哪種形貌的ECM？②ECM中的哪種差異因素驅動了細胞的選擇偏好？③細胞如何感知ECM的形貌差異？
解決這三個問題將加深我們對各種ECM環境中細胞偏好的理解。所獲得的見解不僅將推進我們對細胞行為的基本理解，而且還將為仿生ECM的設計和制造提供重要指導。這些進步對于開發更準確地模仿自然組織復雜性的人工組織和器官至關重要，最終有助于提升組織工程與再生醫學的成果產出。
1.細胞更喜愛哪種形貌的ECM？——細胞更偏愛更粗的ECM
利用EFL-BP66013D打印機制造了直徑分別為20 μm和5 μm的正交纖維網格支架，纖維間距為100 μm，將該區域劃分為離散的方形區域。這個間距明顯大于單個細胞的大小，可以清楚地觀察到細胞對ECM的識別過程。異質ECM中的每個細胞都類似于小房間中的人，在這種情況下觀察細胞行為可以深入了解細胞對特定ECM特征的偏好。利用EFL-CV1000活細胞動態觀察儀實時原位連續監測細胞行為。觀測結果表明在播種后3小時內，細胞對周圍的ECM進行識別和評估，絕大多數細胞逐漸向更粗的ECM遷移和積累。到第4小時，細胞停止遷移并開始粘附在偏愛的支架上。在這一階段之后，粘附在支架上的細胞開始增殖，直到實現融合。
2. ECM誘導特定細胞行為——細胞沿著偏愛的ECM定向排列
異質ECM中的細胞呈現各向異性排列，其方向與粗支架的方向一致。異質ECM內的細胞在播種后3小時內識別了不同的ECM，向粗纖維遷移并積累，最終粘附在粗纖維上。粘附在粗支架上的細胞自發地沿著支架軸線方向延伸。隨后，貼壁細胞開始增殖，新細胞在原有細胞取向的基礎上依舊沿支架軸線方向延伸，導致所有細胞定向排列并與粗支架的方向一致。
3. ECM中的哪種差異因素驅動了細胞的選擇偏好？——ECM的曲率差異，而非黏附位點差異，決定了細胞的選擇偏好
研究表明粘附位點密度的變化不是選擇性遷移的原因。值得注意的是，無論ECM表面成分如何，細胞都保持對粗支架的偏好，這表明細胞對ECM的偏好是由材料成分以外的因素驅動。然而，細胞在相同曲率的ECM支架內呈現各向同性排列，證實支架曲率差異確實是選擇性遷移背后的驅動因素。
4. ECM中的哪種差異因素驅動了細胞的選擇偏好？——細胞感知ECM的相對曲率差異
異質ECM中的細胞表現出對ECM相對曲率的識別和響應能力，表明細胞對曲率變化具有高度敏感性。單個細胞類似于水滴，支架上細胞的形狀由Young-Laplace方程決定。位于低曲率半徑（高曲率）支架上的細胞承受更大的壓差，導致內應力增加。此外，當細胞的短軸與纖維方向一致時，細胞會受到拉伸，從而減少其厚度并產生顯著的壓力差，特別是在細胞的邊緣。在液體體積守恒的約束下，細胞的勢能需維持最小化，導致細胞傾向于將其長軸定向到與纖維延伸一致的方向。
可以形象地描述為：細胞不喜歡使自身產生向內的卷曲形變，而更傾向于“沒有壓力地”舒展在平躺的環境中。和人相似，細胞也拒絕“被迫地內卷”，喜歡“無壓力地躺平”。
5. 細胞如何感知ECM的形貌差異？——細胞通過絲狀偽足感知ECM的相對曲率差異
片狀偽足（板足），作為細胞的“手掌”，是細胞遷移的主要驅動力。不能形成板足的細胞，其實現大范圍運動的能力受損，導致各向同性排列。絲狀偽足，作為細胞的“手指”，是感知ECM的特殊結構。如果沒有足夠的絲狀足形成，細胞就會失去檢測支架曲率差異的能力，從而導致沿X軸和Y軸的隨機遷移和排列。
6. 異質ECM與細胞的相互作用——ECM通過細胞內應力直接調節細胞形態
在均質ECM中，細胞內應力是全方位的，導致細胞內應力相互抵消形成“力平衡”狀態。然而，在異質ECM中，這些內應力是定向的；極化的應力在整個系統中積累，每個細胞都受到拉伸內應力，導致細胞形態和空間排列的變化。
7.異質ECM與細胞的相互作用——ECM間接調節細胞功能和命運
ECM可以通過直接調節細胞內機械應力來調節細胞形態，甚至細胞核形態，從而間接影響細胞的生理生化狀態，如基因表達、信號轉導和蛋白質合成。
【總結與討論】
總之，各向異性ECM提供了細胞可感知的形態學線索。細胞感知異質ECM內的相對曲率差異，并選擇性地向低曲率區域遷移以建立定向排列。這種細胞群體的排列導致極化的細胞間相互作用和細胞- ECM粘附。由此產生的極化拉伸力改變了單個細胞及其細胞核的形態。此外，細胞的這些形態變化間接影響基因表達和細胞命運，最終導致不同的生物學功能。
在理解細胞行為對ECM形態的響應方面，各種ECM形態下的細胞行為可以類比為社會環境中的人類行為。對人類相互作用的深入了解有助于我們理解細胞對周圍環境的反應。本研究研究了細胞與ECM之間的相互作用，其尺度與細胞大小（數十微米）相當。在這個尺度上，細胞和ECM之間的關系讓我們聯想起人與一個大物體（如床）之間的關系。正如更大更平坦的床層通常提供更舒適的環境一樣，低曲率ECM為細胞提供了更有利的環境，這解釋了它們選擇性地向低曲率ECM遷移，無論細胞或基質類型如何。此外，個體通常沿著矩形床的長軸平躺，而沿著床的短軸躺下會使身體的一部分懸空，引起不適。同樣地，沿著ECM延伸的細胞減少了內應力，這解釋了它們與ECM延伸方向的對齊，這有利于維持正常的細胞形態。這些相關的類比有助于更深入地了解細胞行為，并支持進一步研究天然ECM中的細胞相互作用。
本研究采用工程方法來解決細胞生物學中的基本問題，在一定程度上填補了細胞- ECM形態相互作用的認知空白，并總結了一系列與細胞- ECM形態相互作用相關的特征，這些特征對基礎科學研究和臨床轉化具有重要意義。
參考資料：
https://doi.org/10.1016/j.celbio.2025.100090
(責任編輯：admin)
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