三、动态力学刺激对细胞行为的影响

机体内的微环境状态往往是处在一个动态的变化过程中的，例如血管内皮细胞时常处在一种随脉动变化的剪切和拉伸应力环境中，关节处的软骨和骨组织则时常处在随运动变化的剪切、拉伸或压缩应力环境中。基于此，动态力学刺激作为一类重要的微环境物理因素也获得了科学界较为广泛的关注。

早在20世纪80年代，通过将细胞接种到可形变的平膜基材表面并对基材加以周期性拉伸，Dartsch和Betz等便观察到周期性拉伸刺激能够显著影响细胞的黏附和骨架重排行为。系列研究报道证实单轴的周期性拉伸更倾向于促使细胞沿着垂直于拉伸的方向进行取向排列，实验研究的细胞种类主要包括成纤维细胞、平滑肌细胞、内皮细胞和骨髓基质干细胞等。

通过更为细致和深入的研究，科学家还发现周期性拉伸不仅能够影响细胞的黏附取向和骨架重排，还能够显著影响细胞的增殖、蛋白质合成和细胞分化等后续行为。此外，部分研究报道还发现，细胞对周期性拉伸的响应具有频率依赖性，即细胞对高频信号的响应快，对低频信号响应慢，在过低的频率下甚至难以观察到明显的取向响应。如Jungbauer和Spatz等的研究结果表明，当刺激频率低于0.1Hz时，人皮肤成纤维细胞（human dermal fibroblasts）经过拉伸刺激后并未体现出明显的取向行为；当信号频率低于0.01Hz时，鼠胚胎成纤维细胞（rat embryonic fibroblasts）经过拉伸刺激后亦未体现出明显的取向行为。综合上述研究报道，表明周期性的动态力学刺激能够在调控细胞的黏附、取向、增殖、蛋白质合成甚至干细胞的分化等行为和功能中扮演重要角色。

传统体外静态培养手段获得的软骨组织由于力学性能较差而难以成功应用于临床上的软骨修复。Yan和Zhou等的研究报道证实，与传统静态的软骨组织培养方案相比，力学刺激（如每次以100g的离心力持续30分钟，每2天进行1次刺激）环境可以促进并提升软骨基质的有序排列及胶原等大分子间的交联程度，进而提升体外培养软骨组织的力学强度。为进一步优化力学刺激的方法与参数，该课题组还尝试过剪切力刺激（以30rpm的速率持续旋转）和静态液压刺激（每次以5MPa持续30分钟，每2天进行1次刺激）等方案，研究结果表明静态液压刺激条件下培养获得的再生软骨组织力学性能等综合性能最优（图2-9）。

图2-9　在不同体外培养环境中培养的软骨组织及其性能表征结果

A.在不同体外环境中培养获得的软骨组织的全局照片。从左至右的培养环境依次为静态液压刺激（HP）、剪切力刺激（shear）、离心力刺激（centri）和传统的静态培养（static）。B.不同体外环境培养获得软骨组织杨氏模量的统计结果。C.不同体外环境培养获得软骨组织厚度的统计结果。D.不同体外环境培养获得软骨组织湿重的统计结果。

引自：CHEN J，YUAN Z Y，LIU Y，et al.Improvement of in vitro three-dimensional cartilage regeneration by a novel hydrostatic pressure bioreactor[J].Stem Cells Transl Med，2017，6（3）：982-991.

通过合作研究，他们还研制成功了一款软骨再生专用反应器。该反应器能模拟关节的力学微环境来对三维培养物施加持续的静态液压，进而显著提升了再生软骨的质量与力学性能。此类研究为体外培养获得具备良好力学性能的软骨组织打下了坚实的基础并加快了软骨再生临床应用的进程。

近年来，由材料降解带来的动态刺激等因素可能对细胞行为产生的影响也开始获得了关注。有趣的是，通过构建可光降解的基于聚乙二醇的水凝胶体系，Kloxin和Anseth等观察到人骨髓基质干细胞在水凝胶降解速率最快区域（光照最容易到达的表层）的黏附铺展面积最大，在内层及不发生降解的水凝胶区域的铺展面积则有不同程度的下降。此外，Khetan和Burdick等还对比研究了干细胞在降解和非降解状态水凝胶内部的分化行为，其中的可降解组别水凝胶内部含基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP），易在细胞本身的参与下发生降解。研究结果表明干细胞在降解水凝胶体系中（相对较软）的黏附铺展反而较好、应力较大，最后利于成骨分化；而在非降解水凝胶体系中（相对较硬）的细胞铺展较差、应力较弱，进而利于成脂分化。上述分化差异难以用传统静态的基材软硬对干细胞成骨和成脂分化的影响（相对较硬的基底利于细胞铺展和成骨分化，较软的基底利于成脂分化，本章第三节第二部分中有详细表述）来解释。截至目前，虽然不可降解基底上的大量基础研究报道证实偏圆形的、较小铺展面积的、骨架受扰乱的干细胞更利于发生成软骨分化或成脂分化，但Feng和Bian等的研究报道却表明与非降解水凝胶体系相比，降解水凝胶体系内的干细胞尽管黏附铺展更好，但却更利于成软骨分化。上述类似“矛盾”现象也逐渐被其他文献所报道。

综上所述，大量研究报道从不同侧面表明，材料本身的降解很可能提供了另外一种调控细胞行为与功能的动态刺激因素。复旦大学丁建东课题组的近期工作则直接表明，材料降解速率本身就是干细胞分化的一个独立调节参量。