《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：A biofidelic in vitro model to determine the tribological behaviour of mucous layers and their influence on tissue damage
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本研究介绍了一种生物保真模型，通过将人口腔鳞状上皮细胞黏附于聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面，并在猪胃黏蛋白（PGM）或牛颌下黏蛋白（BSM）提供的润滑层存在下进行培养。该模型将黏液润滑与细胞单层整合于摩擦学研究中，提供了一种同时评估摩擦力和润滑层变化所诱导的细
本研究介绍了一种生物保真模型，通过将人口腔鳞状上皮细胞黏附于聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面，并在猪胃黏蛋白（PGM）或牛颌下黏蛋白（BSM）提供的润滑层存在下进行培养。该模型将黏液润滑与细胞单层整合于摩擦学研究中，提供了一种同时评估摩擦力和润滑层变化所诱导的细胞单层损伤的新方法。动态光散射（DLS）、摩擦测量及活死细胞染色实验表明，BSM在降低摩擦和减少细胞损伤方面优于PGM。BSM表现出最低的摩擦系数（COF），与不含黏蛋白的条件相比，BSM使COF降低至其300%增量（p = 0.01），与PGM相比降低至其150%增量（p = 0.04）。PGM黏液层使细胞损伤从17%增加至38%，而BSM黏液层将细胞损伤减少至约7%，显示出优于不含黏蛋白和含有PGM条件的保护作用。
本研究发表于《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》，旨在解决生物组织滑动接触过程中黏液润滑层功能评估的关键科学问题。
研究背景与存在问题方面，上皮组织（epithelial tissues）表面的黏液层在机械接触过程中发挥重要保护作用。黏液蛋白（mucins）作为高分子量糖蛋白（high-molecular weight glycoproteins），是黏液层优异润滑性能的主要来源，存在于唾液、黏液、泪液及滑膜液等体液中，并在上皮表面形成水合层。在边界润滑（boundary lubrication）状态下，黏液层能够有效降低摩擦、防止表面暴露、维持表面覆盖并减少生物表面接触时的界面剪切应力。然而，黏液蛋白补充不足可能导致润滑失效（lubrication failure）、组织暴露及滑动组织间直接接触所致的机械损伤。这种情况常见于口干症（xerostomia）和干眼症等疾患，此外多酚类物质与唾液黏蛋白的络合作用也会损害其润滑功能，导致粗糙、干燥等不适的涩感。尽管生物组织润滑特性可通过生物保真（biofidelic）系统进行有效表征，但体内研究难以实现加载和滑动条件的精确控制，因此亟需开发能够同时评估摩擦力和组织损伤的体外模型。现有研究虽已广泛探讨PGM和BSM在聚合物表面的润滑行为，但均未涉及与上皮细胞的相互作用，缺乏将黏液边界层构建与细胞黏附相结合的整合性研究平台。
研究人员开展的研究工作及其结论与意义方面，本研究创新性地构建了整合黏液润滑与细胞单层的生物保真体外摩擦学模型，系统比较了PGM和BSM两种商品化黏蛋白在降低机械应力、减少组织暴露和细胞损伤方面的差异效能。研究证实BSM通过形成有效的边界润滑层显著优于PGM，为理解黏液保护机制及开发相关生物保真组织工程平台奠定了重要基础。
主要关键技术方法包括：采用PE/CA-PJ15细胞系（一种永生化人口腔鳞状癌细胞系）作为样本来源；运用动态光散射（DLS）技术测定黏蛋白粒径分布；通过旋转流变仪（rheometer）测定剪切黏度与剪切应力；利用通用机械测试仪（UMT）摩擦计进行销盘式（pin-on-disk）摩擦测试；采用荧光素-5-异硫氰酸酯（FITC）标记黏蛋白并结合碘化丙啶（PI）与Hoechst 33342活死细胞染色法进行荧光显微镜成像；运用ImageJ软件进行图像后处理与细胞计数；采用Kruskal-Wallis非参数检验结合Dunn's事后检验进行统计分析。
研究结果部分：
**黏蛋白粒径分布** 通过动态光散射研究得出，PGM的流体动力学直径分布于0.26 μm至0.96 μm范围，峰值位于0.48 μm；BSM则呈现多分散分布，粒径范围从6.48 nm至0.46 μm，存在11 nm和0.08 μm两个明显峰值。
**剪切黏度特性** 通过流变学测量得出，水和磷酸盐缓冲液（PBS）表现为牛顿流体，黏度分别约为1.97 mPa·s和2.02 mPa·s；PGM未呈现非牛顿剪切稀化行为，平均黏度为5.38 mPa·s，表明其在PBS中未形成水凝胶网络；BSM则表现出明显的非牛顿剪切稀化特性，平均黏度高达12.99 mPa·s，反映其更强的黏弹性结构和聚合物网络特性。
**PGM与BSM在细胞单层上的摩擦特性** 通过UMT摩擦计测试得出，无黏液层时COF最高，BSM存在时COF最低。统计分析显示三组间存在显著差异（H(2) = 9.79, p = 0.0075）。BSM与无黏液层相比COF显著降低（p = 0.0105），与PGM相比亦显著降低（p = 0.0449），而PGM与无黏液层之间无统计学差异。具体而言，无黏液层时COF较BSM增加约300%，PGM较BSM增加约150%。
**细胞单层损伤定量** 通过活死细胞染色及荧光显微镜成像评估得出，三组间细胞损伤程度存在显著差异（H(2) = 11.28, p = 0.0036），主要差异源于PGM与BSM润滑条件的比较（p = 0.002）。PGM使细胞损伤从17.1%增加至38.1%，而BSM将其从17.1%降低至7.4%。BSM组的细胞移除率最低（约1%），PGM组最高（约8.7%）。荧光图像显示无黏液层时探针初始压入处细胞死亡较多；PGM形成明显划痕并伴大量细胞移除；BSM则产生最轻微的损伤痕迹。FITC标记显示BSM在接触区出现特征性涂抹图案，提示其表面构象因滑动接触发生改变。
讨论部分总结：结合动态光散射和流变学测量、摩擦实验及活死细胞染色结果，研究人员深入探讨了黏液存在与否时的界面行为差异及其对细胞的影响。PGM在PBS中以分散颗粒形式存在，未形成水凝胶网络，缺乏黏弹性行为；而BSM则形成结构化的弱凝胶样体系。PGM导致较高摩擦和更多细胞损伤，其COF变异性较大，可能源于其非网状结构特性。PGM在降低摩擦的同时反而增加细胞损伤的现象，提示存在非剪切应力诱导的损伤机制——PGM作为第三体（third body）在细胞-PGM-PDMS界面增加了局部接触压力和剪切应力，导致更异质的应力分布。相反，BSM形成的黏性边界润滑层有效降低了界面剪切应力，阻止了探针与细胞单层的直接接触，但其保护作用受限于覆盖不足导致的应力集中区域。所有实验中，滑动起始阶段损伤大于后期，归因于较高的静摩擦力。控制区域无细胞死亡的观察证实，损伤源于摩擦学应力而非黏蛋白的生物化学毒性。该模型的核心创新在于整合摩擦数据与细胞单层损伤定量，为探针、边界层与基底相互作用研究提供了新方法。
研究结论翻译：本研究提出了一种生物保真体外模型，用于评估摩擦学接触过程中的摩擦行为，并分析由润滑层完整性变化引起的相应组织损伤。利用该生物保真模型，研究人员评估了两种商品化黏蛋白——猪胃黏蛋白（PGM）和牛颌下黏蛋白（BSM）的润滑性能，并比较了它们在滑动接触过程中降低机械应力、最小化组织暴露和细胞损伤的能力。对于所研究的摩擦系统，PGM表现出较差的润滑性能，导致较高的摩擦和较多的细胞层损伤；而BSM则通过形成保护性边界层显示出优越的润滑效果，降低了摩擦和细胞层损伤。尽管BSM表现出优异的润滑性能，但由于覆盖不足和超过细胞壁破裂阈值的应力，仍有一些细胞死亡发生。这些发现突显了BSM作为有效润滑剂的潜力，及其在生物保真表面存在时减少组织暴露和损伤的能力。BSM作为上皮表面的模型润滑剂显示出相当大的前景，然而，有必要对不同层之间的相互作用进行进一步研究，以优化生物保真人体组织平台的设计。未来涉及石英晶体微天平耗散监测（QCM-D）测量以量化黏蛋白在细胞-纤连蛋白基底上的吸附，以及界面层结构的表征，将具有重要价值。这些方法将能够更精确地区分吸附黏蛋白层和水合网络结构，从而增强该模型的生理学相关性。最终，这将提升该平台用于研究黏液层对抗病原体相互作用保护潜力的应用价值。
