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#BioArt珍藏版综述#
细胞如何变得特化或“成熟”，对于发育生物学和再生医学来说很重要。虽然在利用干细胞制造功能性组织方面取得了很大进展，但一个常见的问题是它们的不成熟表型。如果有可能破解使分化细胞在生理上特化的原因，那么就有可能构建替代组织来更有效地研究和治疗疾病。虽然对这个问题的重要性达成了共识，但对于什么使细胞成熟，几乎没有达成一致意见。
近日，来自宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的JuanR.Alvarez-Dominguez和哈佛大学的DouglasA.Melton在Cell杂志上发表了一篇题为Cellmaturation:Hallmarks,triggers,andmanipulation的综述性文章，他们在文章中提出成熟既不是终点也并非单向进行，而是由基因和环境动态设定的适应性状态的连续体。作者们通过分析几种不同细胞类型的成熟标志及其决定因素，讨论在体外和体内如何利用其化学和物理触发因素来支持疾病和再生医学研究。
在命运确定之后，后生动物细胞会发展出特殊的生理和形态特征，从而变得功能齐全，称之为“成熟”。然而成熟并不是发育的终点，随着慢性或急性应激，细胞的形态和功能可能会发生变化；此外，成熟也并非单向进行，作为再生和疾病去分化的一部分，专门化的特征会发生丢失和恢复。那么应该如何评估成熟？在这里，作者将成熟特征归类为解剖学（形态、基因回路和互联性）和生理学（功能、节律性和增殖）特征，根据这些特征举例说明它们在成熟中的作用，并强调可用作评估成熟标准的共同特征。
图1.成熟标志
一、解剖学特征（形态、基因回路和互联性）
形态对于细胞专门用于执行特定任务至关重要，比如成熟红细胞的双凹圆盘形状相对于细胞体积具有额外的表面积，从而实现通过狭窄毛细血管所需的变形，而改变的形态则是遗传性红细胞疾病（球形红细胞增多症、椭圆形红细胞增多症和镰状细胞病）的基础。此外，形态还定义了心肌细胞的成熟，细长的棒状允许组装长排列的肌原纤维，从而产生更大的收缩力，而形态改变也是遗传性心肌细胞肥大的基础，与衰老相关的肥大和兴奋-收缩耦合下降可导致心力衰竭。
基因表达是细胞成熟的常用标准。在胰腺β细胞中，由MAFA和ERRγ转录因子设定的遗传回路定义了成熟状态，具体而言，MAFA通过结合胰岛素基因及其葡萄糖敏感分泌的效应器来编程胰岛素释放的葡萄糖敏感性。ERRγ通过靶向调节线粒体氧化代谢的基因来编程提高胰岛素对葡萄糖的反应性，诱导MAFA或ERRγ表达可促进未成熟β细胞的这些行为。
高阶网络组织可以决定细胞成熟度。神经元之间的精确连接是专门感觉转导的关键，随着轴突和树突的迁移和生长，神经元之间形成突触，成熟的神经元选择性地扩展或拆解这些结构，以响应自发或刺激触发的活动，从而形成协调成人感觉处理的精确局部回路。肾足细胞同样相互连接以支持血液过滤，相互连接的突起从紧密和粘附转变为多孔细胞间连接，作为过滤狭缝，允许选择性保留高质量血浆成分，这一关键屏障功能在因损伤或基因突变而丧失足细胞互连时受到破坏。类似的，视网膜色素上皮细胞也会建立外部血视网膜屏障，成熟细胞形成紧密连接，从梭形转变为“鹅卵石”组织。紧密堆积允许溶质在血液和神经视网膜之间选择性流动。
二、生理学特征（功能、节律性和增殖）
专门化的功能定义了成熟的行为。典型例子就是成熟的胰腺β细胞选择性地响应超生理血糖并增加胰岛素分泌。此外，代谢特化定义了肝细胞的成熟度，它们处理代谢物、胆汁、尿素、血清蛋白和有*化合物的能力取决于对进食、氧合和荷尔蒙变化的代谢适应。这些适应允许肝细胞特异性控制代谢稳态，并且它们对营养过剩的反应与糖尿病、脂肪肝疾病和心血管功能障碍密切相关。第三个典型例子是运动神经元的电特化。成熟的运动神经元通过逐渐降低电放电频率来适应稳定的刺激，从而实现持续的肌肉收缩。突触功能涉及神经递质的合成、胞吐作用和传感，以实现有效的电信号传导，从而实现神经网络活动。
将细胞与节律同步对于最大限度地适应行为至关重要。成熟的肝细胞根据昼夜节律进食-禁食周期调整其生理机能，具体来说，在白天进食时，它们消耗葡萄糖作为能量，将多余的葡萄糖储存为糖原，同时将饮食和新合成的脂肪酸转化为甘油三酯。夜间禁食，它们转而通过糖原分解产生葡萄糖。这种成熟肝细胞的工作时钟和进餐时间的搭配优化了循环营养物质的清除和处理，而慢性失调会导致肥胖、代谢综合征和糖尿病。
细胞增殖和成熟在发育过程中通常是反相关的。出生后，大多数心肌细胞作为代谢成熟的一部分退出细胞周期，没有细胞分裂的最后一轮DNA合成导致倍性和大小增加，这是成熟心肌细胞的标志。值得注意的是，这种适应性状态是可逆的，因为静止的心肌细胞可以随着损伤和衰老重新进入细胞周期。像其他神经元一样，成熟的运动神经元是有丝分裂后的，退出细胞周期是由发育模式信号设定的神经元分化程序所固有的。终生细胞周期停滞对于成熟的运动神经元表型至关重要，因为在损伤或神经退行性变后，细胞周期再进入可能导致致命的脆弱性。
三、细胞成熟的化学和物理触发器
环境中的营养素、氧气和生长因子触发生理成熟。这种逻辑已应用于体外衍生自多能干细胞的细胞，比如说脂肪酸补充促进成熟形态、基因回路、功能和增殖标志，而葡萄糖阻碍了成熟形态。饮食操作（如氨基酸、血清剥夺）也促进了源自人类干细胞的胰腺β细胞的成人样特征。补充维生素K2或石胆酸可以促进胎儿和干细胞衍生的肝细胞成熟。这些示例说明了环境养分/代谢物如何引导成熟，但营养变化如何被转导到细胞核中以编程遗传变化以及能量代谢在这个过程中的作用仍不清楚。
模拟成体氧水平可改善人类干细胞生成肝细胞样细胞并防止成体肝细胞在培养中失去其成熟表型。糖皮质激素在出生时升高，促进胎儿和干细胞衍生的肝细胞和心肌细胞的特殊生理和形态。出生后升高的甲状腺激素对胎儿和干细胞衍生的心肌细和β细胞也有类似的效应。营养素、氧气和激素不是恒定的，而是随着睡眠-觉醒和进食-禁食周期而波动。因此，利用促进成熟的条件需要重建生理节律。引入每日葡萄糖、氨基酸或胰岛素波动可促进干细胞衍生胰岛中成熟的基因回路、节律和功能标志，加速其功能和在移植后逆转小鼠糖尿病的能力。因此，昼夜节律行为或化学干预可能有助于挽救成年糖尿病患者丧失的成熟胰岛功能。通过对化学成熟度触发因素进行更好的时空控制，可以在工程或移植组织中引导精确的成熟轨迹。
实体组织感知引导专门化的力量。当间充质干细胞在模拟大脑、肌肉或骨骼硬度的基质上分化时，它们的产物会获得与经历过机械特性的组织相对应的表型。当在接近成人心脏组织硬度的凝胶上培养时，人类干细胞衍生的心肌细胞会产生特殊的收缩力、遗传回路和结构特征。随着成熟的红细胞进入循环，剪切应力和渗透应力升高，导致离子和水渗透性发生变化，从而形成内部粘度和盘状形状。
空间线索也可以塑造成熟状态。细胞间接触和可扩散信号使细胞能够感知和适应环境的几何形状和组成。与内皮细胞或成纤维细胞共培养可以促进心脏、肝脏和胰岛细胞的成熟。类器官芯片在组织内部和组织之间重建复杂的组织，如动脉、肾脏、呼吸管，将血浆、营养物质和空气输送到连接组织或外部世界，允许血液流动、肾脏过滤和呼吸。这可用于系统发育、生理和药物研究或研究自身免疫、神经肌肉和胃肠道疾病的病理性跨组织相互作用，也有可能将微生理系统与生物材料相结合，最终获得具有血管和神经支配的成熟替代组织。生物活性支架可以将形态发生引导至成熟阶段，并促进替代物的植入和长期存活以及丢失、受损或老化组织的功能。
电信号也正在成为成熟度触发器。离子通量由所有细胞类型中的离子转运蛋白设定并通过细胞-细胞连接进行通信，指导细胞的形态和行为。对培养的新生儿心肌细和工程骨组织进行电场刺激可诱导成熟形态和相互连接。在人类干细胞衍生的心脏组织中也可以看到类似的效果，通过将机械应力与电起搏相结合以模拟内源性心脏伸展和收缩，进一步加速其成熟。遗传学能够对离子转运蛋白进行光诱导控制，这可用于精确指导成熟变化。纳米级生物材料的进步使生物电界面的小型化成为可能，无需基因工程即可刺激单个细胞和膜蛋白。
细胞行为基本上是自适应的，成熟不是由年龄决定的，而是由响应环境和遗传输入以实现最大适应的解剖和生理变化决定的。需要更好地了解促成这些变化的机制，以掌握细胞成熟，这是更广泛地利用干细胞衍生的组织构建物的关键一步。研究人员可以通过调整化学和物理环境以及它们的时间依赖性变化来利用成熟的触发器和机制。材料学和电化学领域的进步使得对这些输入进行精确的时空控制变得可行。总之，理解并利用好细胞成熟机制对于预防疾病，恢复甚至改善人类健康具有重大意义。
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