揭示心脏衰老的生化与力学特征：新型水凝胶-细胞外基质杂交支架的突破性研究

本研究针对心脏衰老过程中细胞外基质(ECM)重塑的多维特性，开发了DECIPHER（脱细胞原位聚丙烯酰胺水凝胶-ECM杂交）平台，成功解耦了ECM配体呈现与力学特性的独立调控。研究发现年轻ECM的配体特征可超越衰老组织的促纤维化力学信号，维持心脏成纤维细胞(CFs)静息状态，为靶向ECM的抗衰老治疗提供了新思路。该成果发表于《Nature Materials》，为理解心脏衰老机制和发展再生策略开辟了新途径。

　　

心脏作为人体最重要的器官之一，其功能随年龄增长而衰退的现象一直是医学界关注的焦点。这种衰退不仅表现为心肌细胞的功能下降，更与心脏组织中"细胞外脚手架"——细胞外基质(ECM)的复杂变化密切相关。ECM在衰老过程中经历着多维度的重塑：胶原蛋白等生化成分改变、纤维结构重组、组织硬度增加。然而，这些变化如何共同影响心脏功能？哪些因素起主导作用？这些问题长期困扰着研究人员，因为传统技术难以独立调控ECM的不同特性。更棘手的是，心脏成纤维细胞(CFs)作为ECM的主要"建筑师"，其功能状态又会反过来受ECM特性影响，形成复杂的反馈循环。解开这个"鸡生蛋还是蛋生鸡"的谜题，对开发针对性抗衰老疗法至关重要。

新加坡国立大学机械生物学研究所的Avery Rui Sun、Jennifer L. Young等研究人员在《Nature Materials》发表了一项突破性研究。他们开发了名为DECIPHER（脱细胞原位聚丙烯酰胺水凝胶-ECM杂交）的创新平台，首次实现了对ECM配体呈现和组织硬度的独立精确调控。通过这一技术，团队揭示了年轻ECM的生化特征能够"覆盖"衰老组织的促纤维化力学信号，维持CFs静息状态的重要发现，为心脏衰老干预提供了新的靶点方向。

研究团队运用了多项关键技术：1）DECIPHER平台构建技术，通过甲醛预处理的丙烯酰胺水凝胶与心脏组织切片原位交联，结合优化的脱细胞方案（SDC和DNase处理），同时保留天然ECM成分和结构；2）纳米压痕技术和动态力学分析，精确量化年轻（~10 kPa）与衰老（~40 kPa）心脏组织的力学特性；3）相关共聚焦-原子力显微镜联用技术，在纳米尺度解析ECM纤维力学特性；4）低输入量RNA测序和定量质谱技术，全面分析CFs转录组和ECM蛋白质组变化；5）免疫荧光染色与定量图像分析，评估CFs激活状态（α-SMA表达）和机械信号转导（YAP核定位）。

DECIPHER维持天然ECM配体
研究团队首先验证了DECIPHER平台能完美保留年轻与衰老心脏组织的ECM成分和结构特征。免疫组化显示胶原、纤连蛋白、层粘连蛋白等关键ECM成分完整保留，扫描电镜证实纤维结构完整。特别值得注意的是，定量分析显示>95.8%的胶原和糖胺聚糖(GAG)得以保存，且优化的脱细胞方案显著减少了传统方法导致的胶原变性。通过TWOMBLI图像分析算法，团队还发现年轻与衰老ECM存在明显的结构差异，其中端点密度（hyphal growth unit）是区分度最高的参数。

DECIPHER解耦ECM配体与硬度
通过精确调控聚丙烯酰胺水凝胶的交联度，研究人员成功构建了四组实验条件：软年轻(SoftY)、硬年轻(StiffY)、软衰老(SoftA)和硬衰老(StiffA)ECM。纳米压痕测试证实这些支架能精确模拟天然组织的硬度（年轻~13.1 kPa vs 衰老~38.6 kPa）。动态力学分析进一步显示，DECIPHER支架具有与天然组织匹配的粘弹性特征（损耗模量3.5-7.3 kPa），优于传统重构ECM材料。相关共聚焦-原子力显微镜联用技术揭示，ECM纤维硬度不受DECIPHER处理影响，而周围水凝胶区域则呈现预期的硬度差异，证实了配体与力学特性的成功解耦。

年龄调控配体互作与机械信号
RNA测序和定量质谱分析揭示了CFs与ECM在衰老过程中的协同变化。衰老CFs表现出明显的促纤维化（Ankrd1、Tnc上调）和衰老相关表型（Cdkn1a、Cdkn2a上调），而ECM组分中胶原VI、层粘连蛋白α₂
/β₂
、纤连蛋白等显著增加。配体-受体互作分析发现，衰老CFs中整合素α₁₁
（胶原受体）和DDR2表达增加，而年轻ECM能显著提升衰老CFs中DDR2表达。特别有趣的是，虽然整合素α₅
簇形成受硬度调控，但β₃
整合素表达则主要受ECM年龄影响，显示不同受体对微环境信号的差异化响应。

ECM配体呈现超越硬度调控CF激活
研究最关键的发现是：年轻ECM的配体特征能超越基质的力学信号，抑制CFs向肌成纤维细胞转化。在硬度相同的条件下，年轻ECM上的CFs表现出显著降低的α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)表达和应力纤维形成（StiffY vs StiffA）。RNA测序数据证实，年轻ECM能下调Acta2（编码α-SMA）和Ccn2等激活标志物表达。值得注意的是，虽然年轻ECM不能完全阻止衰老CFs的部分激活（~40%应力纤维形成），但相比衰老ECM（>64%）已有显著改善，表明细胞内在年龄也影响其对微环境的响应。

ECM和力学特性决定CF衰老与 rejuvenation
DECIPHER平台进一步揭示了ECM特性如何调控CFs的衰老进程。将衰老CFs从StiffA（模拟衰老心脏）转移到SoftY（模拟年轻心脏）条件时，基因表达呈现"年轻化"转变，其中ECM配体的影响大于硬度变化。相反，年轻CFs在StiffA条件下表现出明显的衰老样表型，包括p53/p21通路激活和衰老相关分泌表型(SASP)因子（如TIMP3、CCN1）上调。这些发现表明，通过调控ECM微环境可能实现衰老细胞的"年轻化"重置。

这项研究通过创新的DECIPHER平台，首次系统解析了心脏衰老过程中ECM不同特性的独立贡献。最重要的理论突破是发现年轻ECM的生化特征能够覆盖衰老组织的促纤维化力学信号，这一发现挑战了"组织硬度主导细胞命运"的传统认知。从转化医学角度看，研究为开发基于ECM的抗心脏衰老策略提供了明确方向：针对特定ECM成分（如年轻特有的胶原III/弹性蛋白）的干预可能比单纯软化组织更有效。DECIPHER技术的普适性也为其他组织衰老和纤维化疾病研究提供了新工具。未来研究可进一步探索ECM年轻化因子的分子身份，以及如何将这些发现应用于临床治疗。这项研究标志着我们在理解器官衰老机制道路上迈出了重要一步，为开发逆转年龄相关心脏功能障碍的精准疗法奠定了坚实基础。