细胞外基质

在生物学中，细胞外基质（ECM）是由细胞外大分子和矿物质（如胶原蛋白、酶、糖蛋白和羟基磷灰石）组成的三维网络，为周围细胞提供结构和生化支持。因为多细胞在不同的多细胞谱系中独立进化，细胞外基质的组成因多细胞结构而异；然而，细胞粘附、细胞间通讯和分化是ECM的常见功能。

动物细胞外基质包括间质基质和基底膜。间质基质存在于各种动物细胞之间（即，在细胞间隙中）。多糖和纤维蛋白的凝胶填充间隙空间，并作为对ECM施加压力的压缩缓冲。基底膜是ECM的片状沉积物，各种上皮细胞位于其上。动物的每种结缔组织都有一种ECM：胶原纤维和骨矿物质构成骨组织的ECM；网状纤维和地面物质包括的ECM疏松结缔组织;和血浆是的ECM血液。

由于其多样化的性质和组成，细胞外基质可以提供许多功能，例如提供支持、将组织彼此隔离和调节细胞间通讯。细胞外基质调节细胞的动态行为。此外，它还隔离了广泛的细胞生长因子，并作为它们的本地储存库。生理条件的变化可触发蛋白酶活性，导致此类储存的局部释放。这允许快速和局部生长因子介导的细胞功能激活，而无需从头合成。

细胞外基质的形成对于生长、伤口愈合和纤维化等过程至关重要。细胞外基质的结构和组成的理解也有助于理解的复杂动态肿瘤侵袭和转移中癌症生物学作为转移通常涉及细胞外基质的由酶如破坏丝氨酸蛋白酶，苏氨酸蛋白酶和基质金属蛋白酶。

ECM的刚度和弹性对细胞迁移、基因表达和分化具有重要意义。细胞主动感知ECM刚性，并在称为durotaxis的现象中优先向更硬的表面迁移。他们还检测弹性并相应地调整它们的基因表达，由于其对分化和癌症进展的影响，这越来越成为研究的主题。

在大脑中，乙酰透明质酸是ECM的主要成分，基质显示结构和信号特性。高分子量乙酰透明质酸作为扩散屏障，可以局部调节细胞外空间的扩散。基质降解后，透明质酸片段被释放到细胞外空间，在那里它们作为促炎分子发挥作用，协调免疫细胞（如小胶质细胞）的反应。

许多细胞与细胞外基质的成分结合。细胞粘附可以通过两种方式发生；通过粘着斑，将ECM连接到细胞的肌动蛋白丝，以及半桥粒，将ECM连接到中间丝，如角蛋白。这种细胞与ECM的粘附受称为整合素的特定细胞表面细胞粘附分子(CAM)的调节。整联蛋白是细胞表面蛋白，可将细胞与ECM结构（如纤连蛋白和层粘连蛋白）以及其他细胞表面的整联蛋白结合。

纤连蛋白与ECM大分子结合并促进它们与跨膜整联蛋白的结合。纤连蛋白与细胞外结构域的连接启动了细胞内信号通路以及通过一组接头分子（如肌动蛋白）与细胞骨架的关联。

已发现细胞外基质可引起组织再生和愈合。尽管细胞外基质促进组织建设性重塑的作用机制尚不清楚，但研究人员现在认为基质结合的纳米囊泡(MBV)是愈合过程中的关键参与者。例如，在人类胎儿中，细胞外基质与干细胞一起生长和再生人体的所有部位，胎儿可以再生任何在子宫内受损的东西。长期以来，科学家们一直认为矩阵在完全发育后停止运作。它过去曾被用来帮助马治愈撕裂的韧带，但它正在进一步研究作为人类组织再生的装置。

在损伤修复和组织工程方面，细胞外基质有两个主要用途。首先，它可以防止免疫系统从损伤中触发并以炎症和疤痕组织作出反应。接下来，它促进周围细胞修复组织而不是形成疤痕组织。

对于医疗应用，所需的ECM通常从猪膀胱中提取，这是一种易于获取且相对未使用的来源。目前，它经常被用来通过关闭胃部组织中的孔来治疗溃疡，但许多大学和美国政府目前正在对伤兵应用进行进一步研究。

并非所有细胞外基质设备都来自膀胱。来自猪小肠粘膜下层的细胞外基质被用于修复“房间隔缺损”（ASD）、“卵圆孔未闭”（PFO）和腹股沟疝。一年后，这些贴片中95%的胶原蛋白ECM被心脏的正常软组织取代。

细胞外基质蛋白通常用于细胞培养系统，以在细胞培养过程中将干细胞和前体细胞维持在未分化状态，并在体外发挥诱导上皮细胞、内皮细胞和平滑肌细胞分化的作用。细胞外基质蛋白也可用于支持体外3D细胞培养以模拟肿瘤发展。

一类通过处理人类或动物组织以保留部分细胞外基质而获得的生物材料称为细胞外基质生物材料。