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荷兰奈梅亨大学Paul Kouwer综述: 非线性力学性质介导的细胞-基质力学交互作用
2021-10-11  来源:高分子科技

  近期,荷兰奈梅亨大学Paul Kouwer教授联合深圳先进院刘开政博士、阮长顺研究员以及河北工业大学袁宏博副教授,通过对比研究天然细胞外基质和一种人工纤维水凝胶:螺旋聚异腈多肽水凝胶(PIC),在期刊Bioactive Materials上发表综述文章:Cell-matrix reciprocity in 3D culture models with nonlinear elasticity,介绍了非线性力学性质在细胞-基质交互作用中的功能。


细胞-基质双向交互作用的示意图,包括:纤维网络密实化、基质重塑、基质硬度增加、长距离力学传输、新生蛋白沉积等


  细胞在体内处于高度动态且具有复杂成分的三维微环境,即天然细胞外基质(ECM)。ECM为人体组织提供力学支撑以及维持组织稳态、修复和再生所必需的生物化学和生物力学信号。近年来的研究表明,细胞和基质之间持续进行着复杂的双向力学交互作用:即细胞不仅能感受周围的力学环境,还能够主动地改造和重塑基质的网络结构和力学性质,进而反馈于细胞功能调控。这种交互作用在维持组织稳态中起到至关重要的核心作用。因此,在体外三维基质模型设计中应该充分考虑体内天然基质的生物力学性质。


  天然ECM同时具有多种复杂的力学性质,包括非线性力学性质/应力刚化力学性质(nonlinear mechanics/strain-stiffening)、粘弹性/应力松弛(viscoelasticity/stress relaxation)以及力学可塑性(plasticity)等等。本文着重探讨了其中一种特性——应力刚化力学性质,其特点是指人体组织受到一定外力后力学强度增加的现象。本文概述了该种性质的定义、起源以及在细胞-基质交互作用中所起到的调控及媒介作用。接下来,文章讨论了两种常用的天然细胞外基质:胶原蛋白和纤维蛋白水凝胶,以及一种人工纤维水凝胶:PIC水凝胶。PIC拥有类似于生物凝胶的典型非线性力学性质和纤维状网络结构,并具有力学性质可调性。通过对比天然细胞外基质和人工PIC水凝胶,综述详尽讲解了上述材料的结构、用途、优势和缺陷,为3D细胞培养相关的生物物理基础研究和组织工程应用提供新思路。


3D细胞-基质交互作用研究模型的构建以及天然ECM的复杂力学性质。


PIC水凝胶的化学合成示意图、可逆温敏性质、层级纤维结构与非线性力学性质。


  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


论文作者简介


  第一作者:刘开政助理研究员,荷兰奈梅亨大学/中国科学院深圳先进技术研究院

  深圳市海外高层次人才C类,曾入选欧盟地平线2020“玛丽居里”ITN博士项目(2015年),获得欧洲分子生物学会(EMBO)短期基金(2018年)。2014年本科毕业于南开大学,2015年硕士毕业于英国伦敦大学学院,2020年博士毕业于荷兰奈梅亨大学。专注于三维微环境中的细胞-细胞外基质力学交互作用。

  联系方式:kz.liu@siat.ac.cn


  袁宏博副教授,河北工业大学

  硕士生导师,河北省高层次留学引进人才,河北工业大学”元光学者”,2019年入选欧盟第七研究框架“玛丽?居里学者”人才计划,2020年获得欧洲分子生物学组织(EMBO)短期访问学者计划,河北工业大学与荷兰奈梅亨大学联合培养双博士。目前主持国家基金1项,河北省基金2项,并参与多项国家基金。主要研究领域为结合材料科学与生物物理交叉研究的优势,设计、构建非线性仿生水凝胶及刺激响应智能聚合物复合材料,研究细胞与基质的相互作用以及对细胞的功能调控。

  联系方式:hongbo_yuan@hebut.edu.cn


  阮长顺研究员,中国科学院深圳先进技术研究院

  博士生导师,国家优秀青年科学基金获得者,广东特支计划青年拔尖人才,中国科学院青年促进会会员,深圳市海外高层次人才。重庆大学生物医学工程博士,意大利罗马第二大学博士后,香港大学访问学者。长期致力于精准组织工程领域的新材料、新技术及新策略交叉科学研究,旨在通过系统性建立生物3D打印材料体系的可打印性、力学行为及生物活性等关键因素间相互影响规律,突破当前生物3D打印技术的宏微观尺度精确性,提高所构筑组织工程体生物功能,实现复杂组织/器官快速精准组装与功能重建;先后承担多项国家及省市级项目基金,包括国自然基金、国家重点研发计划等,累计科研经费逾千万元;以一作或者通讯作者发表学术论文30余篇,包括领域权威期刊:Advanced Functional Materials、Advanced Science、Bioactive Materials、Biomaterials及Biofabrication等;担任中国康复医学学会修复重建外科专业委员会常务委员、中国医药生物技术协会3D打印分会委员会委员、中国医疗保健国际交流促进会骨科分会委员、中国医学装备协会医用增材制造专业委员会委员及国际华人骨研学会(ICMRS)终身会员;担任Bio-Design and Manufacturing 副主编、Chinese Chemical Letters 青年编委。

  联系方式:cs.ruan@siat.ac.cn


  通讯作者:Paul Kouwer教授,荷兰奈梅亨大学

  博士生导师,螺旋聚异腈水凝胶(PIC)发明人,2013年于Nature杂志发表文章Responsive biomimetic networks from polyisocyanopeptide hydrogels,首次报道了一种人工合成的非线性水凝胶材料。随后基于PIC在Nature Communications (4篇)、Advanced Science以及Advanced Functional Materials等杂志发表多篇文章。专注于细胞外基质的力学仿生人工材料及其生物医学应用。

  联系方式:p.kouwer@science.ru.nl

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(责任编辑:xu)
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