在生物学中，细胞外基质是细胞外大分子(如胶原蛋白、酶和糖蛋白)组成的三维网络，为周围细胞提供结构和生化支持。[1][2][3] 因为在不同的多细胞谱系中，其多细胞化特性是独立进化的，因此，细胞外基质的组成在不同的多细胞结构之间有所不同；然而，细胞粘附、细胞间通讯和分化是细胞外基质的共同功能。[4]
动物细胞外基质包括间质基质和基底膜。[5] 间质基质存在于各种动物细胞之间(即细胞间隙中)。多糖和纤维蛋白的胶状物填充了细胞间隙，并作为压缩缓冲液，抵御施加在细胞外基质上的压力。[6]基底膜是细胞外基质的片状沉积物，其上有各种上皮细胞。动物的每种结缔组织都有一种细胞外基质:胶原纤维和骨矿物质构成骨组织的细胞外基质；网状纤维和基质构成疏松结缔组织的外基质；血浆是血液的细胞外基质。
植物细胞外基质包括细胞壁的各个成分，如纤维素，以及更复杂的信号分子。[7] 一些单细胞生物采用多细胞生物膜的模式，利用细胞嵌入主要由胞外聚合物的方式组成的细胞外基质。[8]
细胞外基质的成分由固有细胞在细胞内产生，并通过胞吐作用分泌到细胞外基质中。[9] 一旦被分泌到胞外，它们就会与现有基质聚集在一起。细胞外基质由纤维蛋白和糖胺聚糖(GAGs) 交联形成的网状物组成。
糖胺聚糖(GAGs)是碳水化合物聚合物，主要附着在细胞外基质蛋白上形成蛋白聚糖(透明质酸是一个明显的例外，见下文)。蛋白聚糖具有吸引带正电荷的钠离子(Na+)的净负电荷，钠离子通过渗透作用吸引水分子，保持细胞外基质和固有细胞水分充足。蛋白聚糖也有助于在细胞外基质中捕获和储存生长因子。
以下内容描述了细胞外基质中发现的不同类型的蛋白聚糖。
硫酸乙酰肝素
硫酸乙酰肝素(HS)是一种存在于所有动物组织中的线性多糖。它以蛋白聚糖(PG)的形式出现，其中两个或三个HS链与细胞表面或细胞外基质蛋白紧密相连。[10][11] 正是以这种形式，HS与多种蛋白质配体结合，并调节多种生物活动，包括发育过程、血管生成、凝血和肿瘤转移。
在细胞外基质中，尤其是基底膜中，多结构域蛋白质基底膜蛋白多糖（perlecan）、集聚蛋白（agrin）和胶原ⅹⅷ是硫酸乙酰肝素所附着的主要蛋白质。
硫酸软骨素
硫酸软骨素有助于增强软骨、肌腱、韧带和主动脉壁的拉伸强度。众所周知，它们也会影响神经可塑性。[12]
硫酸角质素
角质素硫酸盐具有可变的硫酸盐含量，不像许多其他的GAGs ，硫酸角质素不含糖醛酸。它们存在于动物的角膜、软骨、骨骼和角中。
透明质酸
透明质酸(或称“玻尿酸”)是一种由右旋葡萄糖醛酸和乙酰氨基葡萄糖残基交替组成的多糖，不同于其他GAGs，它不是蛋白多糖。胞外间隙中的透明质酸通过吸收大量的水提供抵抗膨压(膨胀)的力，赋予组织抵抗压缩的能力。因此，透明质酸在承重关节的细胞外基质中含量丰富。它也是间质凝胶的主要成分。透明质酸存在于细胞膜的内表面，在生物合成过程中被转移出细胞。[13]
透明质酸作为一种环境信号，在胚胎发育、愈合过程、炎症和肿瘤发展过程中调节细胞行为。它与特定的跨膜受体CD44相互作用。[14]
胶原蛋白
胶原蛋白是细胞外基质中最丰富的蛋白质。事实上，胶原蛋白是人体内最丰富的蛋白质[15][16] 占骨基质蛋白含量的90%。[17] 胶原蛋白作为成纤维胶原存在于细胞外基质中，为固有细胞提供结构支持。胶原蛋白以前体形式(前胶原蛋白)胞吐，然后被前胶原蛋白蛋白酶切割，进行细胞外组装。诸如Ehlers-Danlos综合征、成骨不全和大疱性表皮松解症等疾病与胶原蛋白编码基因的遗传缺陷有关。[9] 胶原蛋白可以根据它们形成的结构类型分为几个家族:
弹性蛋白
与胶原蛋白相反，弹性蛋白赋予组织弹性，允许组织在需要时能够伸展，然后恢复到原始状态。这在血管、肺、皮肤和项韧带中很有用，这些组织含有大量的弹性蛋白。弹性蛋白由成纤维细胞和平滑肌细胞合成。弹性蛋白是高度不溶的，原弹性蛋白在伴侣分子内被分泌出来，当与成熟弹性蛋白纤维接触时释放前体分子。然后，原弹性蛋白被脱去氨基，并入弹性蛋白链。皮肤松弛和威廉姆斯综合征等疾病与ECM中弹性蛋白纤维缺乏或缺失有关。[9]
22016年，Huleihel等人报道了在细胞外基质的生物骨架中存在脱氧核糖核酸、核糖核酸和基质结合的纳米囊泡(MBVs)。[18] 发现MBVs的形状和大小与先前描述的外泌体一致。MBVs的货物包括不同的蛋白质分子、脂质、DNA、片段和miRNA。与细胞外基质生物骨架，MBVs可以改变巨噬细胞的激活状态，并改变不同的细胞特性，如:增殖、迁移和细胞周期。MBVs现在被认为是细胞外基质生物骨架中不可或缺的关键功能性组件。
纤连蛋白
纤连蛋白是糖蛋白的一种，将细胞与细胞外基质中的胶原纤维连接起来，使细胞能够在细胞外基质中移动。纤连蛋白结合胶原蛋白和细胞表面整合素，使细胞细胞骨架重组，促进细胞运动。纤连蛋白由细胞以未折叠的非活性形式分泌。与整合素的结合可以打开纤连蛋白分子，使它们形成二聚体，这样它们才能正常发挥作用。纤维连接蛋白也有助于组织损伤部位，在凝血过程中结合血小板，在伤口愈合过程中促进细胞向受影响区域移动。[9]
层粘连蛋白
层粘连蛋白是几乎所有动物的基底层都有的蛋白质。层粘连蛋白不是形成胶原样纤维，而是形成网状结构的网络，抵抗基底层的张力。它们也有助于细胞粘附。层粘连蛋白结合其他细胞外基质成分，如胶原蛋白和巢蛋白。[9]
多种细胞类型有助于在不计其数的组织类型中发现的各类胞外基质的发育过程。细胞外基质的局部成分决定结缔组织的性质。
成纤维细胞是结缔组织细胞外基质中最常见的细胞类型，它们在结缔组织细胞外基质中合成、维持和提供结构框架；成纤维细胞分泌细胞外基质的前体成分，包括基质。软骨细胞存在于软骨中并产生软骨基质。成骨细胞负责骨骼的形成。
从柔软的脑组织到坚硬的骨组织，细胞外基质可以以不同程度的刚度和弹性存在。细胞外基质的弹性可以相差几个数量级。这一特性主要取决于胶原蛋白和弹性蛋白的浓度，[2] 最近已证明细胞外基质的刚度和弹性这个特性在调节许多细胞功能中发挥着重要作用。
细胞可以通过施力和测量产生的反作用力来感知环境的机械特性。[19] 这发挥着重要作用，因为它有助于调节许多重要的细胞过程，包括细胞收缩，[20] 细胞迁移，[21] 细胞增殖，[22] 分化[23] 和细胞死亡(凋亡)。[24] 抑制非肌肉肌球蛋白ⅱ阻断了大部分这些效应，[23][21][20] 表明它们确实与细胞外基质的机械特性有关，这在过去十年中已成为研究的新焦点。
对基因表达的影响
细胞外基质中不同的机械特性对细胞行为和基因表达都有影响。尽管实现这一点的机制尚未完全解释清楚，但粘附复合物和肌动蛋白-肌球蛋白细胞骨架（其收缩力通过跨细胞结构传递)被认为在尚未发现的分子途径中起着关键作用。[20]
对分化的影响
细胞外基质弹性可以指导细胞分化，即细胞从一种细胞类型转变为另一种细胞类型的过程。特别是，原始间充质干细胞(MSCs)已被证明能明确谱系并表现出对组织水平弹性极其敏感的表型。将原始间充质干细胞(MSCs)置于模拟大脑分化成神经元样细胞的柔软基质上，表现出相似的形状、RNAi图谱、细胞骨架标记和转录因子水平。类似地，模拟肌肉的刚度基质是肌源性的，而模拟胶原骨的刚性基质是成骨性的。[23]
趋硬性
硬度和弹性也引导细胞迁移，这一过程被称为趋硬性（durotaxis）。该术语是由Lo CM及其同事创造的，当时他们发现单细胞倾向于向刚性梯度上迁移(朝向更硬的基底))[21] 此后趋硬性一直被广泛研究。趋硬性背后的分子机制被认为主要存在于黏着斑中，黏着斑是一种大型蛋白质复合物，充当细胞和细胞外基质之间的主要接触位点。[25] 这种复合物含有许多对趋硬性至关重要的蛋白质，包括结构锚定蛋白(整联蛋白)和信号蛋白(粘附激酶(FAK)、踝蛋白（talin）、纽带蛋白（vinculin）、桩蛋白（paxillin）、α-肌动蛋白（α-actin）、GTP酶（GTPases）等)。这些蛋白引起细胞形状和肌动球蛋白收缩性的变化。[26] 这些变化被认为会引起细胞骨架的重新排列，以便于定向迁移。
由于其不同的性质和组成，细胞外基质可以发挥许多功能，例如提供支持、将组织相互隔离以及调节细胞间的通讯。细胞外基质调节细胞的动态行为。此外，它能隔离多种细胞生长因子，并充当它们的局部储存库。[5] 生理条件的变化会引发蛋白酶活性，从而导致这类物质在局部释放。这允许快速和局部生长因子介导的细胞功能激活，而无需从头合成。这种效应已经在一项模型和理论研究中进行了探索，其中血管内皮生长因子C(VEGFC)、基质金属蛋白酶2(MMP2)和胶原蛋白I被用作研究例子。[27]
细胞外基质的形成对生长、伤口愈合和纤维化等过程至关重要。对细胞外基质结构和组成的理解也有助于理解癌症生物学中肿瘤侵袭和转移的复杂动力学，因为转移通常涉及如丝氨酸蛋白酶、苏氨酸蛋白酶和基质金属蛋白酶对细胞外基质的破坏。[5][28]
细胞外基质的刚性和弹性对细胞迁移、基因表达，[29] 和分化有重要影响。[23] 细胞主动感受到细胞外基质的刚性，并在一种被称为趋硬性的现象中优先向较硬的表面迁移。[21] 他们还检测弹性，并相应地调节基因表达，由于其对分化和癌症进展的影响，基因表达越来越成为研究的主题。[30]
许多细胞与细胞外基质的成分结合。细胞粘附有两种方式:通过局部粘连，将细胞外基质连接到细胞的肌动蛋白丝，和半桥粒，将细胞外基质连接到中间丝如角蛋白上。这种细胞对细胞外基质的粘附由称为整合素的特定细胞表面细胞粘附分子调节。整合素是细胞表面的蛋白质，它将细胞结合到细胞外基质结构上，如纤连蛋白和层粘连蛋白，也结合到其他细胞表面的整合素蛋白质上。
纤连蛋白与细胞外基质大分子结合，促进它们与跨膜整合素的结合。纤连蛋白与细胞外结构域的连接启动细胞内信号通路，并通过一组衔接分子如肌动蛋白与细胞骨架结合。[6]
细胞外基质已被发现可使组织再生和愈合。尽管细胞外基质促进组织结构重塑的作用机制仍不清楚，但研究人员现在认为基质结合纳米囊泡(MBVs)是愈合过程中的关键因素。[18][31] 例如，在人类胎儿中，细胞外基质与干细胞一起生长并再生人体的所有部分，胎儿可以在子宫中再生任何受损的部分。科学家们长期以来一直认为，基质在完全发育后会停止运作。它在过去被用来帮助马修复撕裂的韧带，但是它作为人类组织再生的装置正在被进一步研究。[32]
就损伤修复和组织工程而言，细胞外基质有两个主要目的。首先，它防止因损伤而触发免疫系统的反应，并对炎症和疤痕组织做出反应。其次，它有助于周围的细胞修复组织，而不是形成疤痕组织。[32]
应用于医疗目的所需的细胞外基质通常是从猪膀胱中提取的，猪膀胱是一种容易获得且相对未使用的来源。目前，它被定期用于通过封闭胃周围组织的洞来治疗溃疡，但是目前许多大学和美国政府对猪膀胱在受伤士兵上的应用正在做进一步的研究。截至2007年初，在德克萨斯州的一个军事基地进行了测试。科学家们正在用一种粉末形式的猪膀胱来源细胞外基质治疗伊拉克战争中双手受伤的退伍军人。[33]
并非所有细胞外基质材料都来自猪膀胱。来自猪小肠粘膜下层的细胞外基质被用于修复“房间隔缺损”（ASD）、“卵圆孔未闭”(PFO)和腹股沟疝。一年后，这些被修复的斑块中95%的胶原蛋白细胞外基质被心脏的正常软组织所替代。[34]
细胞外基质蛋白通常用于细胞培养系统中，以在细胞培养过程中保持干细胞和前体细胞处于未分化状态，并用于体外诱导上皮细胞、内皮细胞和平滑肌细胞的分化。细胞外基质蛋白也可用于支持体外3D细胞培养，以模拟肿瘤发展。[35]
一类来源于加工人类或动物组织以保留部分细胞外基质的生物材料称为细胞外基质生物材料。
植物细胞镶嵌形成组织。细胞壁是围绕植物细胞的相对刚性的结构。细胞壁提供抵抗渗透膨压的横向强度，但它足够柔软，在需要时允许细胞生长；它也是细胞间交流的媒介。细胞壁包括嵌入糖蛋白基质中的多层纤维素微纤维，糖蛋白基质包括半纤维素、果胶和延伸蛋白。糖蛋白基质的成分帮助相邻植物细胞的细胞壁相互结合。细胞壁的选择性通透性主要由糖蛋白基质中的果胶决定。胞间连丝(Plasmodesmata，单数形式: plasmodesma)是穿过相邻植物细胞壁的孔。这些通道受到严格的调节，有选择地允许特定大小的分子在细胞之间通过。[13]
鱼尾藻分化后，动物/后生动物的细胞外基质功能在pluriformea和filozoa的共同祖先中发育。
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