传统基质生物学研究主要聚焦于蛋白质、糖胺聚糖(GAGs)和多糖作为细胞外基质(ECM)的主要结构和功能元件。这些组分中的每一个都与周围的液态水环境存在根本性关联。然而，水并非仅仅是一种被动溶剂——其组织方式以及与生物大分子的相互作用影响着组织的生物力学、生物化学信号传导和细胞行为。理解水的角色对于阐明组织如何生长、适应、修复和再生至关重要。水是生物组织中最丰富的分子，并在塑造ECM的结构和功能方面发挥着关键作用。细胞膜两侧的渗透过程以及细胞内和细胞外胶体（例如蛋白质、碳水化合物等）中的吸水作用是ECM功能的基础。这些过程影响着其粘弹性和孔隙弹性特性，并进而影响其支持各种细胞过程的能力。本文探讨了水吸收对ECM的动态影响，着重指出了其对组织力学、细胞行为和潜在临床应用的意义。通过研究这些动态变化，我们的目标是深化对涉及ECM的生理和病理过程的理解，从而推动基质生物学领域的发展。利用现代实验技术和有针对性的研究问题，我们可以揭示水在组织稳态、重塑、力传导和疾病中的积极作用。
1. 引言
细胞外基质(ECM)是一个复杂的三维大分子网络，连接着胶原蛋白、蛋白聚糖(PGs)、糖胺聚糖(GAGs)、弹性蛋白、纤连蛋白和其他蛋白质。胶原蛋白具有粘弹性特性，在小应变下表现为弹性行为，在大应变下表现出应变硬化。弹性蛋白是纯弹性的，其在组织中的高浓度提供了所需的可逆延展性。纤连蛋白通过组装成可被其他分子结合而轻易改变的纤维来调节网络张力。PGs也通过提供机械阻力来促进结构支持。然而，它们的功能超越了机械角色，因为它们负责ECM的水合作用，其负电荷能够捕获水分子。一个显著的例子是透明质酸(HA)，这是一种细胞外分泌的PG，可以在其水化壳中聚集数千个水分子。HA因其与细胞受体的相互作用及其在信号传导中的调节作用，在胚胎发生、组织修复和稳态中至关重要。ECM的特性及其行为受到其水状态的严重影响。水化是水在分子水平上与离子、极性分子或表面的结合。生物聚合物和蛋白质在其天然状态下吸收大量水分，只有在它们与水共存时才能评估其特性和功能。这些大分子通过赋予结合水分子特定结构来改变其特性。因此，在分子尺度上，水不仅是其他分子的溶剂。它负责一系列协助化学和信息传递的结构，并为生物功能服务。水分子形成动态、不均匀且复杂的网络，其特征是以皮秒时间尺度不断形成、断裂和重排的氢键簇。新的实验和理论方法揭示，这些水网络参与诸如蛋白质、核酸及其复合物等生物大分子的构象组织和灵活性，从而介导其折叠、性质或功能。通过协调ECM内的蛋白质功能，水的影响延伸至微观尺度，是细胞行为和命运的关键因素。蛋白质的丰度创造了一个水合的胶体环境，介导渗透和吸收，因此对维持组织稳态至关重要。然而，由于研究ECM结构与其力学特性之间相互作用的实验困难，ECM中的蛋白质和溶质运输研究相对较少。随着时间的推移追踪流体组成和运动对于发展以水为中心的ECM理解至关重要。这篇综述旨在通过诸如时间分辨磁共振成像(MRI)等创新技术来解决这一空白。此外，我们探讨了最近关于ECM中两种关键水传输机制的发现：渗透作用和吸水作用。渗透是化学势（浓度）差驱动的溶剂通过半透膜的净流动。吸水是由毛细管作用和吸附力驱动的液体被多孔或亲水性材料（例如种子、凝胶、木材）吸收的过程。ECM内的流体运动，包括渗透和吸水，影响其机械特性、结构组织和生物活性。因此，水调节着ECM的特性，而ECM构成了细胞生命得以组织的结构和生物化学支架。ECM通过提供粘附位点、机械保护和调节信号主动影响细胞行为。生物相容性的概念被定义为水分子与材料表面之间界面相互作用的结果，也称为材料的可湿性。因此，水在宏观尺度上在几个重要的生物过程中起着关键作用，包括热管理、蛋白质变性和生理温度下的稳定性。水对于胶原蛋白和弹性蛋白等结构蛋白的机械性能至关重要，甚至对纤维素也是如此，它在宏观尺度上调节ECM的粘弹性。孔隙弹性描述涉及粘弹性固体网络和流体动力学之间的相互作用，为ECM的能量耗散机制和功能提供了另一种理解。此外，最近的研究强调了水在机械预应力中的作用及其在ECM中产生力的能力。因此，水似乎是影响组织力学特性的核心，更多研究现在将ECM的健康和病理状态与水分含量、分布或运输的功能障碍联系起来。在这项工作中，我们展示了广泛的ECM重塑和水功能破坏如何与包括纤维化、关节炎、神经系统疾病和癌症在内的各种病理密切相关。理解水如何在多个尺度上运作，从分子水平的自由水或非冷冻结合水到粘弹性和孔隙弹性模型中的水运输，仍然不完整。因此，多尺度整合方法是必要的。从工程学的角度来看，ECM可以被视为一个模拟驱动器。其层级结构、组成和性质的动态变化以及多尺度相互作用促使研究人员使用材料科学方法来研究ECM。在这里，我们旨在采用这种多尺度方法，并描述水在不同长度尺度（从分子到宏观）的作用。了解水在细胞和ECM中的进入、重新分布和保留的动态，对于从力学生物学、组织工程、再生医学到病理学等学科至关重要。尽管水构成了ECM体积的大部分，但其作用常常被忽视。本文讨论了为什么应该在基质生物学中物理化学地研究水在所有尺度上的结构和空间组织。图1提供了本综述探讨主题的概述。描述微观尺度水化过程、分子尺度水化效应和ECM宏观尺度力学行为对于阐明与ECM相关的病理复杂性至关重要。通过利用现代实验技术并整合生物力学、细胞生物学、分子化学乃至量子物理学领域，我们可以阐明水在组织稳态、重塑、力传导和疾病中的积极作用。
2. ECＭ中的水运输过程
在生物化学上，水被ECM吸收会改变可溶性因子和信号分子的扩散特性。这种生化环境的改变可显著影响包括增殖、迁移和分化在内的细胞活动，从而影响组织的发育和修复。管理这些因子对于组织稳态和功能至关重要。如上所述，渗透和吸水之间的主要区别在于，渗透涉及水通过可渗透膜的扩散，从溶质浓度较高的区域移动到溶质浓度较低的区域，而吸水是固体物质吸收水的过程。ECM吸收水的能力取决于其分子组成和结构组织。胶原纤维提供结构支持，促进ECM的拉伸强度，同时允许渗透性并促进沿其纤维结构的水运输。这种复杂的排列支持组织水合作用和弹性。同时，由离子浓度梯度跨越ECM产生的渗透梯度将水吸入基质，从而增加水合作用和肿胀。机械负荷也会影响流体动力流，有助于营养物质的运输和废物的清除。这些机制共同突出了ECM的动态和适应性。
2.1 渗透作用
渗透是一个需要水通过分隔两种溶液的膜单向流动的平移扩散过程。在ECM中，该机制源于PGs的GAG链，这些链由于其高负电荷密度而表现出强亲水性，从而吸引水分子。这些GAGs在水流中起着至关重要的作用，包括透明软骨中的硫酸软骨素、关节液中的透明质酸钠以及细胞表面的类肝素多糖。它们充当离子吸引子，在细胞及其周围细胞外空间内产生溶质浓度的变化，并控制结缔组织的水合作用。由此产生的渗透压与最大肌张力处于相同范围，从而有助于将水保留在ECM基质内。然而，胶原网络阻止了组织的过度肿胀。菲克定律模拟了由浓度梯度驱动的分子的自发扩散。溶质（例如，PG）或溶剂（例如，水）的摩尔通量J，对于平移扩散过程的一般情况，可以写成组分浓度c（单位体积摩尔数）的梯度、平移扩散系数D和扩散距离x的函数。这个方程可以使用水动力学量重写，使用通用气体常数R、温度T、溶剂和溶质之间的摩擦系数f以及渗透压P。这个方程也可以用体积流Jv和偏摩尔体积v重写。这个方程指出渗透压的变化驱动溶质的流动。由于f（以及因此D）对于溶质和溶剂是相同的，体积流对于两个组分是相同的，方向相反。换句话说，响应溶质的平移运动，相反方向的溶剂反向体积流被驱动，扩大了两种组分的分布。方程中的系数D和f是关键。虽然可以通过沉降速度测量，但它们的值取决于浓度、分子量、粘度和溶液水力传导性。摩擦系数是特定于溶质和溶剂的。例如，硫酸软骨素链与水强烈相互作用，降低了迁移率。具有这些链的PGs表现出低水力传导性。它们的粘度或硫酸基团的位置都不影响流动。因此，它们在像软骨这样的承重组织中有效地最小化了水流。由于摩擦系数与水-溶质相互作用有关，一般平移扩散情况就足够了。对于涉及膜的渗透，水-膜和溶质-膜相互作用是相关的。由渗透压差ΔP驱动的水流Jv描述为，其中Lop是渗透渗透系数，是两种阻力的组合：一种是由于交换过程，已经描述过，另一种是由于通过膜的过滤。术语包含了水-溶质相互作用（通过f）和溶质-膜相互作用（通过A和x）。溶质-膜相互作用通常包括两种类型：溶质和膜之间的静电相互作用（可以是排斥或吸引）和空间位阻（由溶质和膜孔的大小决定）。另一个术语对应于水-膜相互作用，其中Lhp是不存在溶质时的膜水力渗透性。值得注意的是，方程可以进一步展开，以证明水力渗透性Lhp对绝对温度T的依赖性，遵循阿伦尼乌斯型方程，或者在T和参考温度T0之间积分后，其中Ea是水运输的活化能，R是理想气体常数。因此，渗透不仅取决于溶质浓度，还取决于温度和pH。较高的温度增加了水分子的动能，这统计上为穿透膜提供了更多机会。水力渗透性随后随温度呈指数增加。pH影响分子电荷、溶液的离子组成和膜的表面电荷，从而改变水分子的运动。渗透对ECM的影响是一个超越水运动的多方面现象，塑造组织结构、功能和完整性。水作为主要的组织成分，通过与组织组分和外部力的相互作用影响承载特性。渗透梯度驱动水穿过细胞膜，导致组织水合变化、ECM肿胀和纤维拉伸，这可以改变弹性、刚度等力学特性，从而保持组织的灵活性和回弹性。例如，软骨抵抗压缩和减少摩擦的能力取决于渗透肿胀。水流入压缩组织是通过渗透流发生的。数值模拟表明，PG分布影响软骨特性：浓缩的PGs将渗透压提高6倍，将水力传导性降低24倍，并将水流减少13倍，突出了PGs在渗透调节中的作用。离体模型揭示，PG静电排斥比胶原收缩产生更大的抗压阻力，因为PGs吸引离子和水，产生高达400 kPa的渗透压，与肌肉张力相当。渗透还可以通过植物中的化学-机械能量转换产生力。该原理包括内部产生的应力的产生、储存和释放，这些应力能够实现高能量的快速运动和形态转变，这种机制称为形状变形驱动。例如，当机械刺激施加到含羞草叶片上时，内部应力通过水运动和细胞内盐分增加在运动细胞壁中释放。这种渗透压驱动的机制降低了细胞膨胀，从而在整个植物中快速传播折叠刺激。因此，叶片的自发运动是能够对抗捕食或物理损伤的保护策略的渗透压波的结果。这种基于渗透的可逆驱动可以被机械地描述为由不可压缩的水和ECM或细胞壁的固体三维结构之间的弹性不匹配引起的内部应力的积累。当渗透压的变化增加细胞或ECM中的水吸收时，随后的体积膨胀在刚性网络上产生拉伸应力。这些内部应力可以立即释放，或积累以响应未来的刺激，其速度（约10 m/s）和加速度可与动物界观察到的相媲美。因此，正是植物中溶质和渗透压的调节使其不仅能够生长，而且能够进行保护性的、可逆的形状变形驱动。渗透转变影响ECM的物理和生化环境。水合作用的变化改变了基质结合的生长因子、酶和蛋白质，影响组织重塑、修复和纤维化。细胞通过力传导对渗透压做出反应，从而调节ECM的合成和降解。渗透压也影响细胞的体积和形状，影响细胞内分子和细胞-ECM相互作用，从而影响增殖、分化和迁移。渗透力维持的微妙平衡不仅对正常的组织稳态至关重要，而且对损伤、炎症或疾病的反应也至关重要。在病理生理学背景下的异常渗透可导致各种病理。例如，当水流入发生时，组织可能经历水肿，导致基质更膨胀，间质压力增加，正常组织结构破坏，以及细胞功能受损。水分流失导致脱水，使ECM收缩并改变胶原蛋白、GAGs和其他基质成分，从而影响组织孔隙率、渗透性和稳定性。组织变得更僵硬、纤维化或退化。图3A描绘了在低渗和高渗条件下ECM的结构重组及其对营养物质运输和静水压力的影响。骨关节炎就是一个例子，软骨中的胶原蛋白降解和软骨细胞的粘弹性降低是由于低渗应激引起的。腱病显示流体减少和基质成分的重组。渗透转变影响营养物质、氧气、废物和信号分子的扩散。脱水削弱了组织完整性和细胞功能，如粘附、迁移、增殖和通讯。研究发现，高渗透压通过瞬时受体电位香草素4(TRPV4)通道阻碍成骨分化。渗透压的变化与ECM离子水平相关，从而影响细胞命运和组织特性。将低渗透压与弹性模量和应力松弛的降低联系起来。这种离子的流失导致了带负电的PGs之间缺乏非共价链间交联，可能是肿胀相关组织病理的原因之一。整合这些方面，显然渗透是维持ECM复杂结构和生化环境的生物化学和生物力学调节剂。理解这种复杂的关系强调了在健康和疾病中渗透调节的重要性，为调节组织水合作用和ECM完整性的潜在治疗策略提供了见解。
2.2 吸水作用
吸水是当液体被胶体中的固体吸收而不形成溶液时发生的一种特殊形式的扩散，导致体积膨胀。这一现象例如负责种子萌发。在ECM吸水过程中，水（溶剂）与固体（称为吸收物）结合，固体分散在异质混合物中，导致胶体颗粒的溶胀和溶剂化。胶体颗粒形成连续的胶束网络，水占据胶体内的自由毛细管和胶束间空间。由于吸水是与胶体性质相关的物理过程，它发生在活体和变性的ECM中。胶体的溶胀是被动发生的，不需要能量输入，并产生相当大的压力，称为吸水压力。这个压力被定义为阻止胶体溶胀所需的压力，如在高压多室容器中测量的那样。吸水压力通常在数百个大气压的量级，对于琼脂或明胶等胶体来说，在种子萌发中起着至关重要的作用，因为它会导致种皮破裂，从而引发根的生长。所有ECM生物分子，如蛋白质、碳水化合物、淀粉、纤维素和脂肪，都可以被视为胶体并将吸收水，从而使ECM膨胀。然而，这些生物分子之间的吸水能力各不相同。蛋白质具有最大的吸水能力，因为它们本质上是亲水性的。碳水化合物和淀粉次之，然后是纤维素。值得注意的是，HA在ECM内的水扩散中起着特定作用。HA包含许多带负电荷的亚基，可以吸引和保留水分子。使用飞秒弹性二次谐波散射(fs-ESHS)（一种非线性光学技术）对HA的水化壳进行分析，揭示了包含约1600个水分子的水化壳，从分子链延伸至475纳米。这种结构相当于干HA重量的10倍。HA几乎存在于身体的所有ECM中，浓度各不相同，在上皮和结缔组织中更为突出，其中高比例的水分很重要。更一般地说，PGs和GAGs作为ECM的主要带电成分，通过吸水和静电相互作用在调节ECM内的水方面起着关键作用。吸水中另一个自发的、无能量的机制是压力，因为多孔固体在液体吸附和解吸过程中会经历应力和应变。在吸水过程中，水在毛细管压力下占据毛细管空间，这由胶体网络的几何形状和表面张力决定。当流体吸附到孔壁上时，它们减少了表面应力，从而扩大了孔，这种现象称为班厄姆效应。随后，在毛细孔内形成弯月面，在液体中产生负压，这种现象通常称为拉普拉斯效应。这种取决于孔径的压力导致固体收缩。这种变形发生在毛细管驱动的自发吸水（湿液体）和非湿液体的强制侵入过程中。例如，拉普拉斯压力是变形孔结构和影响纤维素海绵中吸水的主要机制，并且在具有高表面积体积比（例如ECM）的纳米多孔材料中可能很重要。例如，ECM可以调节间质静水压力以调节经毛细血管交换。这发生在例如炎症期间，当间质静水压力升高且组织的吸水能力较低时。维持胶原网络张力的β1-整合素活性降低可以降低间质静水压力，从而允许吸水和经毛细血管液体过滤及水肿形成。然而，与ECM中毛细管压力相关的吸水机制尚未受到显著关注。温度是影响吸水的主要因素，但其影响是复杂的。随着温度升高，水的粘度降低，而其动能增加。此外，温度影响胶体，因为分子速度与温度的平方根成正比，从而影响胶束间间距。总的来说，较高的温度往往会增加吸水速率。一些基于蛋白质的胶体似乎依赖于pH，因为它影响它们的解离常数，进而影响它们的等电点。蛋白质是两性离子，意味着它们是携带正负电荷的中性分子。在特定pH值下，称为等电点（通过官能团的解离常数平均计算得出），两性离子具有相等的正负电荷。在等电点，蛋白质在水中的溶解度最小，吸收也将最小，但会随着pH的变化而增加。例如，琼脂在中性pH下溶胀最大，而淀粉仅在酸性环境中溶胀。最后，吸水可以由基质势驱动：吸收物和溶剂之间的浓度差对于有效吸水至关重要。吸水可导致水凝胶的形成，其中胶体颗粒组装成胶束网络。ECM凝胶主要由PGs和GAGs组成，其离子基团吸引水。这种溶胀胶体由高分子量、低迁移率分子组成，充当半透膜。因此，水吸水类似于渗透，由相似的力驱动。水含量影响ECM的粘弹性行为，影响变形阻力和恢复。吸水影响机械性能，特别是在水合时表现出弹性和粘弹性响应的弹性蛋白和胶原蛋白中。PG和GAG密度也通过水结合影响ECM粘度。水合作用的增加扩大了ECM体积，降低了可压缩性，并增强了组织回弹性，影响了力传导途径，这对细胞信号传导至关重要。水吸水在ECM中的作用在特定的生理环境中至关重要。例如，在关节软骨中，维持最佳含水量对于承重和减震至关重要；然而，中断可导致骨关节炎等病症。同样，在皮肤中，真皮ECM利用水吸水来维持膨压和弹性，从而影响其机械回弹性和整体外观。在病理上，过度的水吸水可导致水肿，组织肿胀破坏了健康的ECM结构和功能。这在ECM完整性受损的炎症条件下常见，因为它反映了对通常在健康组织中限制肿胀的结构网络的损伤。例如，手术后，ECM组成或渗透性的变化，或可用水的变化，可以增加手术部位的水吸收，作为伤口愈合过程的一部分。这通常发生在植入医疗器械后，当周围ECM通过吸水吸收水分时导致水肿。此外，改变的水动力学可能导致纤维化，其特征是过度的ECM沉积和功能失调的水合状态，从而损害正常的组织功能。
2.3 潜在治疗应用
吸水在种子萌发中的作用已被广泛研究。萌发是一个迷人的现象，在此期间细胞的化学和结构完整性、蛋白质合成、呼吸活动和种子代谢在吸水时被重新激活。由于这个过程大部分是由蛋白质和毛细管力驱动的，吸水也是动物和人体组织中的常见现象。然而，目前关于ECM中吸水机制的文献存在空白。对ECM中水运输更完整、全面的理解将为治疗干预开辟新途径。水凝胶由于其亲水性聚合物网络而吸收水分，主要通过极性基团，如–OH、CONH–、–CONH2–或–SO3H，与水形成强氢键。疏水基团通过排斥导致有序的水在非极性表面周围结合，这种机制称为“疏水效应”，创造了所谓的“中间”水。所谓的“自由”水通过渗透压吸收。水合网络可以捕获信号分子，帮助组织修复。调节ECM水合可以通过增加基质扩散来改善药物递送。开发了一种含有微囊的丝素蛋白/聚乙烯醇水凝胶，该水凝胶响应活性氧按需释放其内容物，从而调节骨关节炎治疗的细胞衰老。在仿生水凝胶中，关键因素不仅包括化学特征，还包括ECM吸水特性的复制。一些研究人员已经开发出具有可控水合作用的水凝胶。例如，利用聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)（一种热敏聚合物）生产在约31°C下发生相分离的水凝胶。低于此温度，水凝胶由水性PNIPAm组成，即聚合物的溶解形式，是卷曲且高度亲水的。聚合物与水分子形成氢键，从而形成高度水合的水凝胶。随着温度升高，聚合物采用由疏水相互作用稳定的球状、结晶构象，破坏氢键并降低系统的水合作用。PNIPAm对于未来设计ECM模拟水凝胶很有意义，其亲水-疏水转变可以通过在聚合物主链中引入亲水性丙烯酸基团来调节。这种修饰被证明可以稳定氢键，影响溶胀特性，并在温度升高时延迟水分子的释放。水凝胶在生理温度下保留了90%的水含量，证明了该聚合物在设计具有定制含水量的环境响应性人工ECM方面的潜力。类似地，能够调节聚电解质浓度、渗透条件或溶胀的ECM模拟材料有可能更精确地模拟ECM病理。例如，为了阐明与肿胀相关的组织病理，包括PG功能的失调，研究了低渗调节的离体肌腱中水与ECM结合的强度。这种模型可以为研究水在ECM病理中的作用创造新的机会，通过MRI增强诊断信息，并实现新的组织工程策略。其他例子包括复制真皮伤口愈合过程中ECM重塑的微工程ECM模型，以及模拟导致癌症预后不良的异常ECM重塑过程的恶性肿瘤相关ECM系统。下一代ECM模拟模型将受益于生物打印和光刻技术的进步，以及诸如开放微流体等新兴技术，这些技术能够在微观尺度上控制水流并进行局部环境修改。
3. 分子尺度的水化效应
ECM富含提供结构支持和调节细胞行为的蛋白质。胶原蛋白和弹性蛋白是决定组织特性的关键蛋白质。PGs通过结合生长因子和信号分子来促进结构。水在这些蛋白质的功能中起着至关重要的作用，影响ECM结构和细胞命运。
3.1 蛋白质中的结构水
理解水的结构对于解释在分子尺度上观察到的机制至关重要。水分子表现出四个能够通过氢键与其他分子相互作用的位点。在聚合物结构（如网络或蛋白质）中，它们与聚合物链上的各种官能团进行氢键结合。正是氢键的数量和类型决定了水的整体状态。那些与聚合物链至少形成两个氢键的称为非冷冻结合水。这些水分子流动性低，在-100°C以上不结晶。
