Hydrogel dimensionality directs mechanics-dependent nascent matrix deposition by tendon fibroblasts

肌腱是连接肌肉与骨骼的坚韧、绳索状组织，使我们能够进行强而有力且精准的运动。在这些组织内部，被称为腱纤维细胞（tendon fibroblasts）的特化细胞扮演着“施工队”的角色，不断地构建和修复细胞外基质。这种基质是一个由蛋白质（主要是胶原蛋白）组成的复杂支架，赋予了肌腱其结构以及承受力量的能力。为了让这些细胞正确履行职责，它们必须能够感知周围的物理环境。它们能感受到所嵌入材料的硬度，并据此调整自身行为。如果环境太软或太硬，或者细胞被限制住无法移动，施工工作就可能出错，导致受伤或愈合不良。了解这些细胞究竟是如何解读其物理环境的，对于开发更好的肌腱损伤治疗方法以及设计能够帮助修复受损组织的合成材料至关重要。

科学家们早已知晓表面的硬度会影响细胞的行为，但规则会根据细胞是坐在平面上还是漂浮在三维凝胶中而发生改变。在平面的二维世界里，当细胞被放置在较硬的表面时，它们通常会铺展得更开，也变得更加活跃。然而，当细胞被困在三维凝胶内部时，规则往往会反转：较硬的凝胶实际上可能会挤压细胞，使其难以铺展并开展工作。宾夕法尼亚大学和密歇根大学的研究人员开展了一项新研究，旨在观察这些不同的规则如何适用于腱纤维细胞，特别是如何影响它们构建的新型基质。该团队想要了解环境的维度性（即平面与三维之分）是否会改变肌腱细胞对硬度的反应以及它们沉积新基质的方式。

为了进行这项研究，研究人员使用了一种由透明质酸（一种人体内的天然物质）制成的特种凝胶，并对其进行了改良，以便精确调节其硬度。他们培养了来自小鼠尾部肌腱的腱纤维细胞，并将它们置于两种不同的设置中。在第一种设置中，细胞被播种在硬度分别为 10 和 25 千帕（kPa）的平面凝胶之上。在第二种设置中，细胞被封装在三维凝胶内部，其硬度分别为 5、10 和 50 千帕。为了准确观察细胞制造了什么新材料，科学家们使用了一种巧妙的标记技术。他们给细胞喂食了一种糖分子，细胞会将这种分子整合到它们新构建的蛋白质中。随后，他们添加了一种能特异性附着在该糖分子上的荧光标签，从而能够观察到细胞周围新生成的、初生的基质。

在平面的二维培养中，结果遵循了预期的模式。当细胞位于较硬的凝胶上时，它们铺展得更开，变得更扁平、更大。这种铺展伴随着细胞内部信号传导的变化，具体表现为一种名为 YAP 的蛋白质进入细胞核，YAP 是控制生长和基质产生的“开关”。因此，在较硬的 25 千帕凝胶上的细胞比在较软的 10 千帕凝胶上的细胞沉积了显著更多的量。研究人员观察到，新基质最初是细胞附近的小点，但随着时间的推移，最终演变成连续的纤维网络；无论硬度如何，这一过程都会随时间发生，尽管在较硬的表面上总产量更高。

当细胞被置于三维凝胶内部时，故事发生了彻底的变化。在这里，硬度与细胞行为之间的关系发生了逆转。在较软的凝胶（5 和 10 千帕）中的细胞能够稍微多一些铺展，并且表现出比 50 千帕最硬三维凝胶中更高的 YAP 核内蛋白水平。而在硬的三维凝胶中的细胞则保持微小且圆润，被材料紧密的网络所束缚。因此，在硬的三维凝胶中沉积的新基质量低于在较软凝胶中的量。有趣的是，10 千帕凝胶中的细胞产生的总基质量是所有组别中最高的，甚至超过了 5 千帕凝胶中的细胞，这表明在三维空间中，存在一个不同于平面培养中趋势的最佳硬度，用于促进基质产生。

研究人员还查看了细胞内部的遗传指令，以了解它们计划建造什么。他们发现，在较软的三维凝胶中的细胞开启了与健康肌腱形成相关的基因，例如针对 I 型胶原蛋白和腱蛋白 C（tenascin C）的基因。相比之下，在 50 千帕硬凝胶中的细胞则关闭了这些肌腱特异性基因，转而表现出一种不同的、不太像肌腱的状态。它们产生的不是构成肌腱细胞周缘环境的特定胶原蛋白，而是另一种通常存在于基底膜中的胶原蛋白。这种遗传编程的转变证实了硬凝胶带来的物理限制从根本上改变了细胞的身份及其作为“肌腱构建者”的功能。

这项研究强调了环境的维度性是肌腱细胞感知并响应其周围环境的关键因素。虽然在平面培养中，较硬的表面会鼓励基质产生，但在三维凝胶中，较硬的环境反而会通过物理限制细胞并改变其遗传程序来抑制基质产生。这一发现表明，仅仅增加材料的硬度并不总是促进组织修复的良方。相反，用于肌腱愈合的生物材料设计必须考虑到组织的三维特性，确保材料既足够柔软，能让细胞铺展并激活其肌腱构建基因，又具备足够的结构来支持强健新基质的形成。通过绘制这些复杂的相互作用图谱，研究人员为创造能够有效支持人体自然修复机制的人造环境提供了更清晰的指南。