細胞生物學/細胞微環境與細胞間的相互作用

細胞微環境及其與細胞的相互作用 - 細胞微環境的組成 - 細胞外基質的主要組成成分 - 細胞微環境與細胞間的相互作用 - 細胞微環境異常與疾病
機體的組織是由細胞與細胞微環境成分相互作用共同組成的，兩者之間有着十分密切的關係，兩者相互依存，相互影響，共同決定着組織的結構與功能。細胞微環境與細胞間的相互作用主要是細胞外基質與細胞間的相互作用、細胞與細胞間的相互作用。

細胞外基質與細胞間的相互作用

一方面細胞通過控制基質成分的合成和降解決定細胞外基質的組成，另一方面細胞外基質對細胞的各種生命活動有着重要的影響。

細胞外基質對細胞生物學行為的影響

細胞外基質除了與細胞一起構建組織，具有支持、連接細胞和保護作用外，還對細胞的結構與功能有着重要的影響。只有在細胞外基質存在的條件下，組織中的細胞才能維持正常形態和行使各種生物學功能。
1、細胞外基質影響細胞的形態結構 細胞的形態往往與其特定的生存環境密切相關。同一種細胞在不同環境中具有不同的形態。體外實驗表明，幾乎所有組織的細胞在脫離了組織，處於單個游離懸浮狀態時均會呈圓球狀。同一種細胞在不同的細胞外基質上黏附和鋪展時，可表現出不同的形態。如上皮細胞只有黏附在基膜上才能顯示其極性，並通過細胞連接成為柱狀上皮；成纖維細胞在天然的細胞外基質中呈扁平多突狀，而在Ⅰ型膠原凝膠中則呈梭形。
細胞外基質對細胞形態的決定作用主要是通過與細胞表面受體的結合，影響細胞骨架成分呈不同方式的組裝和排列來實現的。
2、細胞外基質影響細胞的生存與死亡 人體內大多數類型的細胞需要黏附在一定的細胞外基質上才能存活，細胞外基質對細胞的生存與死亡起着非常重要的作用。例如，上皮細胞和內皮細胞一旦脫離了細胞外基質就會發生凋亡。這種細胞失去基質缺少黏附就會走向凋亡的現象稱為失巢凋亡(anoikis)。這主要是由於細胞脫離細胞外基質後，細胞骨架鬆散而致線粒體釋放細胞色素c，從而活化caspase凋亡途徑而導致細胞凋亡。當細胞通過整聯蛋白黏附於細胞外基質上，可啟動細胞存活相關的信號轉導途徑，維持細胞的存活。
3、細胞外基質調節細胞的增殖 體外培養細胞實驗證實，大多數細胞只有在一定的細胞外基質上黏附並鋪展，才能使細胞增殖周期運行，這種現象稱為貼壁依賴性生長(anchorage dependent growth)。細胞的這種特性是由於細胞黏附在基質上時，可通過整聯蛋白介導傳遞多種生存和增殖信號到細胞內，最終影響細胞增殖相關基因的表達。整聯蛋白調節細胞增殖主要通過MAPK途徑來實現。MAPK信號通路是真核細胞調節細胞增殖和凋亡的關鍵通路。腫瘤細胞的增殖喪失了貼壁依賴性，可以在懸浮狀態下增殖。
4、細胞外基質參與細胞的分化調控 細胞外基質其多種組分可通過與細胞表面受體特異性結合，從而觸發細胞內信號傳遞的某些連鎖反應，影響核基因的表達，調控細胞的分化。實驗表明，特定的細胞外基質可使某些類型的細胞撤離細胞周期而進入細胞分化狀態，如內皮細胞在膠原基質上培養時進行增殖，而在層粘連蛋白基質上則停止增殖進行分化，形成毛細血管樣結構；乳腺上皮細胞在Matrigel上培養時，不但具有腺管樣形態，而且分泌酪蛋白等乳汁成分。酪蛋白基因的表達，是由於層粘連蛋白與細胞表面的α₃β₁整聯蛋白作用後，活化了一定的信號轉導系統而啟動的。
5、細胞外基質影響細胞的遷移 無論在個體發育過程還是在成體組織再生以及創傷修復過程中都伴隨着十分活躍的細胞遷移運動。在細胞遷移過程中，細胞發生黏附與去黏附、細胞骨架組裝與去組裝等，都離不開細胞外基質的影響。細胞通過基膜遷移時，需要基質成分的局部降解，膠原酶等基質金屬蛋白酶在這一過程中通過分解局部的基質成分，開闢道路促進細胞的遷移。蛋白酶抑制劑可阻止細胞的遷移。這種情況可發生在白細胞穿過血管基膜遷移至炎症或創傷部位，也可發生在腫瘤細胞浸潤和轉移過程。

細胞對細胞外基質的影響

細胞外基質是由其所在組織細胞分泌的 各種組織的細胞外基質的成分、含量和存在形式不同，都是由該組織的細胞（包括實質細胞和間質細胞）合成和分泌的。同一個體的不同組織，在不同的發育階段，所產生的細胞外基質也有所不同。例如，胚胎結締組織的細胞外基質主要產生Ⅲ型膠原、透明質酸和彈性蛋白；而成年結締組織中成纖維細胞產生的細胞外基質以Ⅰ型膠原、纖連蛋白等為主要成分。細胞外基質的成分隨組織的類型和功能狀態的不同也有差異，如軟骨組織中由成軟骨細胞分泌的細胞外基質主要有Ⅱ型膠原和蛋白聚糖等。
細胞外基質成分的降解是在細胞的控制下進行的 細胞外基質成分的降解也是由細胞分泌的蛋白水解酶催化的。細胞外基質成分在細胞分泌的基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP, 迄今已鑑定了20多種MMP)和絲氨酸蛋白酶家族聯合作用下被降解。基質金屬蛋白酶家族是一類Zn²⁺和Ca²⁺依賴的蛋白酶，有多種類型，如膠原酶、明膠酶、基質溶解素、彈性蛋白酶等。其中膠原酶具有高度特異性，可以切割蛋白質上某些特異性位點，這種局部降解方式既可以保持基質結構的完整性，又可為細胞遷移開闢道路。細胞還可分泌基質金屬蛋白酶和絲氨酸蛋白酶的抑制劑控制蛋白酶的作用程度和範圍。細胞對細胞外基質成分降解的控制和調節對創傷修復、組織重構以及細胞的遷移都有重要作用。

細胞與細胞間的相互作用

在細胞微環境中，除細胞與胞外基質之間的相互作用外，細胞與細胞之間相互作用(cell-cell inaction)對多細胞生物個體的發育和分化，以及維持細胞的正常生命活動起到至關重要的作用。前者如細胞分化過程中的胚胎誘導和幹細胞的穩態維持，後者如腦組織中的神經元活動。局部微環境中細胞間相互作用的機制主要是：①相鄰細胞分泌的旁分泌因子(paracrine factor)對細胞的作用。②細胞膜並置在一起的近分泌相互作用(juxtracrine interaction)。③相鄰細胞分泌的外泌體對細胞的調控。有時，細胞還接受來自遠距離的經血液運輸的激素調控。