临床上，患者将受益于接受丢失或受损组织的替代物，通过可调节的成熟度实现最大程度的植入、存活和功能。也许有一天，这种产品不仅可以替代组织，还可以增强完整组织的功能。因此，利用细胞成熟将为预防疾病、恢复甚至改善人类健康带来光明前景。
了解后生动物细胞是如何特化以执行特定任务，对细胞和发育生物学来说是一个挑战。如果知道细胞特化的原因，则有可能在实验室构建替代组织，以更有效地研究和治疗疾病。虽然很多人通常将其称之为细胞“成熟”，但对于细胞成熟的原因没有达成一致意见。宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的Alvarez-Dominguez JR等认为，细胞成熟既不是终点也不是单向的，而是相关基因和环境动态设定的适应性状态的连续体（图1）。在此框架内，作者研究了几种细胞类型的成熟特征及其决定因素，分析了利用这些特征促进体外成熟和对抗体内损失，并讨论了成熟策略及其产品如何支持新的应用。
细胞成熟的定义
后生动物细胞发展出特殊的生理和形态特征，以实现全面的功能。如果这些特征代表了一个完全发育的有机体或其生命中相对稳定的部分，那么这种特殊的细胞就被称为“成熟的”，意味着完成发育的“最终状态”（图1A）。然而，成熟可能不是发育的终点；在慢性或急性应激下，细胞的形态和功能可能发生变化。此外，成熟可以不依赖于年龄增长而获得。细胞从形成到特化的过程可以在生命早期发生（如血管、肺上皮），也可以在整个生命过程中反复发生（如红细胞、肠上皮），或者与器官发育同时进行（如心脏、神经和胰腺细胞）。此外，成熟不一定是单向的。
因此，将成熟视为实现最大化适应性行为的系统过程可能是有用的。成熟被视为一种“适应状态”，成熟与发育密切相关，但不能等同。因此，可以将成熟视为一个发育阶段，在此阶段动态建立特化的细胞状态，以获得最大适应性。以这种方式定义的成熟既不是终点，也不是单向发育，而是可逆的适应性状态的连续体（图1B）。
大多数细胞类型的分子或遗传标准尚未完全列举，而结构和功能特征则有更好的定义。成熟特征可以分类为解剖学（形态、基因回路和互连性）和生理学（功能、节律和增殖）特征（图2）。每一种都代表了分化细胞特化所需的适应。下文将概述这些特征及其决定因素，说明它们在成熟过程中的作用，并强调它们可作为评估成熟度标准的共同特征。
形态
形态的形成对于细胞执行特定任务至关重要。成熟红细胞的双凹圆盘形状（图3A）相对于细胞体积形成了过多的表面积，使其能够发生较大变形以通过狭窄的毛细血管。红细胞变形能力还取决于膜弹性，膜弹性由与机械稳定骨架相连的跨膜蛋白决定，而细胞质粘度由离子和血红蛋白含量决定。红细胞在低渗或高渗液体中变成球状或圆齿状，说明其成熟形态对环境的适应性。形态改变是遗传性红细胞疾病（球形细胞增多症、椭圆细胞增多症和镰状细胞病）的基础。形态也会随着年龄的增长而衰退，因为衰老的红细胞失去了穿过毛细血管所需的变形能力，导致血液循环破坏和消失。
形态学也决定了心肌细胞的成熟。细长的棒状（图3A）允许长排列的肌原纤维组装，产生更大的收缩力。成熟心肌细胞的电容随着表面积的增大而增大，从而提高动作电位加大和传播的速度。兴奋-收缩耦联随着肌浆网体积和钙含量的增加以及膜内陷的形成而增加，使兴奋性刺激更接近收缩机制。形态学改变是遗传性心肌细胞肥大的基础，而与衰老相关的肥大和兴奋-收缩耦联下降可导致心力衰竭。
第三个例子是细胞极性，这是视网膜色素上皮的关键。促进膜通道、转运蛋白和受体的极化分布，并允许水、营养物质和废物在脉络膜毛细血管和光感受器之间定向流动的形态（图3A）。在成熟的视网膜色素上皮细胞中，基底膜内折和顶端微绒毛支持极化交通。与心脏和红细胞一样，视网膜色素上皮细胞的特殊结构缺陷（纤毛形成、极化交通）是先天性视网膜疾病的特征，而其随衰老而衰退是年龄相关性黄斑变性的特征。
基因回路
基因表达是细胞成熟的共同标准。在胰腺β细胞中，由MAFA和ERRγ转录因子设置的基因回路定义了成熟状态（图3B）。MAFA通过结合胰岛素的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可促进未成熟β细胞的这些行为，这为在体外培养功能完备的β细胞提供了依据。
在心肌细胞中，HOPX转录因子驱动晚期成熟回路。诱导它可促进肥大信号和上调基因，从而促进天然和体外来源心肌细胞的生长和成熟。有趣的是，HOPX还标志着天然和体外来源β细胞的成熟，这表明HOPX在引导成熟生长方面起着广泛的作用。
转录后回路也可以引导成熟。AMPK和mTOR信号介导从糖酵解到脂肪酸氧化的转变，标志着心肌细胞的成熟（图3B）。活化的AMPK使客户蛋白磷酸化，以促进脂肪酸摄取、线粒体生物发生和分裂，并抑制mTOR依赖的线粒体自噬抑制。增强了以脂肪酸为主要底物的线粒体氧化能力，产生更多的ATP以支持更大的收缩力。有趣的是，激活AMPK或抑制mTOR信号可促进心肌细胞和胰腺β细胞的体外代谢成熟。代谢变化说明了由环境条件设定的适应状态，这些环境条件不仅伴随成熟，而且可以驱动成熟。
互连性
复杂系统的涌现是通过其组件的组织而形成的。因此，高阶网络组织可以决定细胞的成熟。神经元之间的精确连接是特殊感觉传导的关键（图3C）。随着轴突和树突的迁移和生长，神经元形成早期突触。成熟的神经元选择性地扩展或分解这些结构，以响应自发或刺激触发的活动，形成协调成人感觉处理的精确局部回路。依赖于活动的神经回路完善是学习和记忆的基础，说明了环境引导下的终生成熟可塑性。
在长出极化突起后，肾足细胞彼此连接，以支持血液过滤。成熟的足细胞以交叉指状模式形成分支投射，包裹肾小球毛细血管（图3C）。相互连接的突起从紧密和粘附转变为多孔的细胞间连接，作为过滤缝隙，允许选择性保留高质量血浆成分。由于损伤或基因突变导致足细胞互连性丧失，这一关键的肾小球滤过屏障功能被破坏。
互连性还允许视网膜色素上皮细胞建立血-视网膜屏障。成熟细胞形成紧密连接，从梭形组织转变为“鹅卵石”组织（图3C）。紧密堆积允许溶质在血液和神经视网膜之间选择性流动。离子通过主动传输的定向流动促进了光感受器正常工作所需的离子环境。这增加了细胞单层的电阻，这是视网膜疾病中丢失的成熟视网膜色素上皮屏障功能的关键决定因素。
功能
特化的功能定义了细胞成熟的行为。成熟的胰腺β细胞选择性地对超生理血糖做出反应，胰岛素分泌增加（图4A）。选择性反应在出生后逐渐出现，因为β细胞通过增加葡萄糖偶联和胰岛素分泌阈值来适应富含葡萄糖和富含氧的环境。这些适应是由β细胞对葡萄糖摄取、磷酸化和氧化的亲和力及其电兴奋性决定的。糖代谢和兴奋性缺陷是成年型糖尿病的基础。怀孕期间或出生时受到干扰的营养或氧气暴露会改变成熟适应的过程，这也会被糖尿病的代谢应激所重塑，说明了环境对终生规划的影响。因此，恢复应激β细胞的成熟葡萄糖反应性为逆转肥胖和糖尿病相关的病理学提供了一个诱人的机会。
代谢特化同样定义了肝细胞的成熟度。它们处理代谢物、胆汁、尿素、血清蛋白和有毒化合物的能力取决于对进食、氧合和激素变化的代谢适应（图4A）。间歇性进食引入了高胰高血糖素信号的禁食期，该信号可诱导促进脂肪氧化、葡萄糖合成和糖原分解的酶。转移到富含氧环境可促进白蛋白、尿素的合成以及转运蛋白和细胞色素的活性，从而介导解毒。糖皮质激素和cAMP信号的增强促进了糖异生和糖原储存的特化。这些适应性允许肝细胞特异性地控制代谢稳态，并且它们对营养过剩的反应与糖尿病、脂肪肝和心血管功能障碍密切相关。
第三个例子是运动神经元的特化。成熟的运动神经元通过逐渐降低电刺激频率来适应稳定的刺激（图4A），从而实现持续的肌肉收缩。刺激终止后，反弹膜去极化驱动爆发式放电模式，这是有节奏肌肉运动的关键。适应性活动调节由内在兴奋性和突触功能决定。兴奋性由控制膜极化的跨膜离子通道调节，从而控制膜的电导和电位。突触功能涉及神经递质的合成、分泌和感知，以实现有效的电信号传播，从而实现网络水平的活动。
节律
使细胞过程与能量节奏同步对于最大程度地适应行为至关重要。成熟的肝细胞根据昼夜节律的进食-禁食周期调整其生理机能（图4B）。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，同时将膳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和新生产生葡萄糖，转而消耗脂肪酸作为能量，并产生酮类。葡萄糖/脂质消耗-产生节律是通过昼夜节律整合子（circadian integrators）和代谢效应器之间的转录反馈控制来实现的。成熟肝细胞时钟与进食时间的一致性，优化了循环营养素的清除和处理，而长期失调可导致肥胖、代谢综合征和糖尿病。
非转录节律也支配着成熟的生理学。尽管缺乏细胞核或线粒体，成熟的红细胞仍能维持日常代谢周期，以应对氧化应激（图4B）。在夜间，当血氧下降时，通过无氧糖酵解产生ATP的葡萄糖消耗达到峰值。白天，当氧化作用最强时，转向戊糖磷酸途径，以产生NADPH，这是减少活性氧所需的。这导致糖酵解产生的ATP驱动离子运输和膜去极化，以及过氧化物酶缓解血红蛋白氧化的活性出现24小时节律。代谢和还原氧化循环持续存在，红细胞中没有新的RNA或蛋白质合成，并且由于基因突变或衰老导致的中断会导致贫血。
增殖
在发育过程中，细胞增殖和成熟通常是反相关的。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（图4C）。转向脂肪酸氧化会增加破坏DNA的活性氧，通过抑制细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖性激酶触发细胞周期停滞。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（图4C）。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。
静止的可塑性也能区分成熟的β细胞。它们在成年人中的自我复制速度很慢（<1%/天），但在代谢压力下会增加。这种适应能力是在出生后断奶至富含碳水化合物的饮食后发展起来的。成熟的β细胞通过增加对葡萄糖作为氧化磷酸化燃料的依赖性，以及通过抑制基底细胞以利于葡萄糖偶联（如胰岛素分泌）来适应这种营养变化。响应代谢应激的β细胞复制依赖于促有丝分裂的葡萄糖反应性，而成熟β细胞这种适应性特征的丧失会导致肥胖相关糖尿病。
与其他神经元一样，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的固有特征。通过诱导原神经基因和细胞周期阻滞，通过抑制细胞周期蛋白和激活原阻滞蛋白，激活同时促进分化的双功能调节器。终生细胞周期停滞对成熟的运动神经元表型至关重要，而损伤或神经退行性变后的细胞周期再进入可导致致命的脆弱性。
总之，细胞成熟涉及复杂的适应（图2）。包括对遗传和环境因素做出反应的解剖学和生理学的相关变化，以赋予最大的适应性行为。解剖成熟（图3）和生理成熟（图4）的特征在不同类型的细胞中是相同的，因此可以作为评估成熟度的一般标准，而它们的破坏或衰退可以作为许多病理性疾病的基础。
利用细胞成熟进行研究和临床应用
在实验室中实现细胞成熟可以模拟超越早期阶段的人类发育，并可能产生用于疾病治疗和药物筛选的替代细胞和组织。基因-环境相互作用如何引导健康和疾病的适应性变化，最好使用成熟模型进行研究。药物发现、安全性和有效性研究可能会受益于筛选产品，这些产品将密切回顾内源性细胞和组织靶点的生理学。接受成熟细胞移植的患者可能会获得更快、更持久的治疗益处。
控制细胞成熟需要了解其原因。除了描述成熟状态外，最近的研究对指示成熟状态的线索有了更深入的了解。可能包括化学（营养素、氧气和生长因子）和物理（机械、空间和电）触发因素（图5）。下面将分析如何操纵这些触发因素来诱导表型成熟度或防止其丢失，并使用一些示例来说明这些程序为何有用（图6）。
化学触发因素
环境中的营养、氧气和生长因子会触发生理成熟（图5）。这一逻辑已应用于多能干细胞体外培养的细胞，多能干细胞的功能通常与胎儿或新生儿相似，但与成人不同。模仿出生后向高脂饮食的转变培养了人类干细胞源性心肌细胞的成年特征。
补充脂肪酸促进成熟形态、基因回路、功能和增殖标志（图3A和4C），而葡萄糖则有阻碍作用。饮食操纵（氨基酸、血清剥夺）也会促进人类干细胞源性胰腺β细胞的成人样特征。第三个例子是补充维生素K2或石胆酸（一种肠道菌群代谢物），促进胎儿和干细胞源性肝细胞成熟。这些案例说明了环境营养素/代谢物如何引导成熟。
氧合也控制着成熟的变化。出生时向自主呼吸的转变增加了氧气水平，抑制了缺氧信号。模拟成人氧气水平可改善人类干细胞源性肝细胞样细胞，并防止成人肝细胞在培养中失去其成熟表型。在抑制缺氧信号的同时，通过抑制HIF1a，在干细胞源性心肌细胞中重新建立从糖酵解到氧化代谢的转换，促进成人样解剖和生理学。因此，抑制HIF1a为挽救因出生时缺氧损伤引起的延迟组织成熟提供了一个有吸引力的机会。
生长因子是另一个促进成熟的线索。糖皮质激素在出生前后升高，促进胎儿和干细胞源性肝细胞和心肌细胞的特殊生理学和形态学。出生后升高的甲状腺激素对胎儿和干细胞源性心肌细胞和β细胞具有相似的作用。这些影响是如何发生的，很可能涉及中枢代谢调节剂。因此，控制生长因子（或合成类似物）和操纵其传感器和效应器是研究体外细胞成熟的重点。
化学线索的时间也控制着成熟的行为。营养素、氧气和激素并非恒定不变，而是随着睡眠-觉醒和进食-禁食周期而波动。因此，促进成熟需要重建生理节奏。每日引入葡萄糖、氨基酸或胰岛素波动可在干细胞来源的胰岛中培养成熟的基因回路、节律和功能标志（图2），加速其功能和在小鼠移植后逆转糖尿病的能力。昼夜饮食节律可能有助于对抗由不成熟β细胞功能引起的新生儿糖尿病。昼夜节律、营养和基因编程在成熟过程中如何相互作用尚不清楚。昼夜节律夹带也会在培养中失去成熟表型的成年胰岛中培养成熟行为，说明了环境对成熟的动态重编程。因此，昼夜行为或化学干预可能有助于挽救成年糖尿病患者失去的成熟胰岛功能。
通过对化学触发因素进行更好的时空控制，可以在工程/移植组织中指导精确的成熟轨迹（图6）。微流体和合成水凝胶可以实现营养、氧气和生长因子的模式化或定时释放。这些可以用来更好地模拟内源性发育和生理学，并改善植入细胞产品的整合、血管化、免疫调节和神经支配。
生理触发因素
机械、空间和电线索（electrical cues）是成熟适应的关键触发因素（图5）。固体组织能感知控制特化的力量。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，其产物获得与具有机械性能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，人类干细胞源性心肌细胞会发展出特殊的收缩能力、基因回路和结构特征。在微模式化基质上培养同样可以增强心肌细胞的伸长，增强胎儿和干细胞源性心肌细胞的收缩力、线粒体含量和电导率。流体力学也促进了成熟。当成熟的红细胞进入循环时，剪切应力和渗透应力增加，导致离子和水渗透性发生变化，从而形成内部粘度和盘状。血流对成熟动脉细胞表型也至关重要，并利用微流控芯片促进干细胞源性内皮细胞的成熟。细胞如何感知和适应外力在粘附组织中得到了最好的认识，并涉及机械敏感机制（整合素、多配体蛋白聚糖、离子通道和细胞骨架蛋白）和转录效应器（如YAP），它们通过表观基因组变化建立机械记忆。
静态（刚度、形貌和应力）和动态组织力学（塑性、变形和应力松弛）控制细胞表型。具有快速应力松弛的粘弹性水凝胶在包裹的软骨细胞中培养成熟形态、基因回路和增殖，促进相互连接的软骨样基质的形成。这为美国FDA批准的水凝胶应用设计提供了依据，如自体软骨细胞植入、工程皮肤移植和骨再生装置。多孔水凝胶类似地维持包裹的干细胞源性β细胞的葡萄糖反应性胰岛素功能，在移植到小鼠体内后实现长期糖尿病逆转，同时防止免疫攻击。
空间线索也可以塑造成熟状态。细胞-细胞接触和扩散信号使细胞能够感知和适应环境的几何形状和组成。在成人软骨细胞中保持成熟表型或在干细胞源性心肌细胞中诱导成熟表型是以培养维度为导向的。让细胞自我组织的三维培养在提供促进成熟的空间环境方面最为成功。自我引导而非赋予组装产生干细胞来源的类器官，可以更好地概括眼、脑、心和肾组织的解剖和生理学。然而，这些产品无法重现出生后的成熟，但在体内移植时成熟到成年表型。因此，最大限度地适应行为可能需要来自于接近或接触支持组织的线索。与内皮细胞或成纤维细胞共培养确实促进了心脏、肝脏和胰岛细胞的成熟。组织-组织的相互作用（crosstalk）如何促进成熟发生，并为多组织三维培养系统的设计提供了信息。其中包括芯片上的器官和多系类器官，它们可以模拟器官系统复杂的空间和动态特征。芯片上的器官允许通过微流体对扩散信号进行时空控制，并通过芯片结构对组织-组织接触进行时空控制。
通过混合微流体和类器官，可以实现现实的成熟生理学。芯片上的类器官在组织内部和组织之间重建复杂的组织，如动脉、肾、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。还可以将微生理系统与生物材料结合起来，最终获得血管化和神经化的成熟替代组织。生物活性支架可将形态发生引导至成熟阶段，并促进植入和长期存活，以及缺失、受损或老化组织的植入替代物的功能。生物打印，即通过机械打印机对细胞、线索和生物材料进行三维沉积，可以进一步增强一致和准确的组织制造，包括用于个性化毒理学或替代治疗的定制组织。
总之，通过生理触发因素可以操纵细胞和组织的成熟（图5）。其中包括化学和物理线索，通过其性质和时机来指导成熟适应。通过对培养环境的组成、设计和机电性能的时空调节，利用它们是可行的。生物材料和微型化接口能够在体外和体内对这些特性进行精确、同步的控制，增强了新一代基础研究、药理学和再生医学应用（图6）。
总结
细胞行为本质上是适应性的。成熟度不是由年龄决定的，而是由对环境和遗传因素做出反应的解剖和生理变化来决定的，以实现最大程度的适应。需要更好地理解导致这些变化的机制（方框1），以掌握细胞成熟，这是充分利用干细胞来源组织构建的关键步骤。利用成熟的触发因素和机制可以通过调节化学和物理环境及其随时间变化来实现。通过材料和电化学工程的进步，对这些输入的精确时空控制越来越容易实现。这种方法可以重建和改善自然的成熟机制，促进细胞产品工程的一致性和可扩展性。临床上，患者将受益于接受丢失或受损组织的替代物，通过可调节的成熟度实现最大程度的植入、存活和功能。也许有一天，这种产品不仅可以替代组织，还可以增强完整组织的功能。因此，利用细胞成熟将为预防疾病、恢复甚至改善人类健康带来光明前景。
参考文献：Alvarez-Dominguez JR, Melton DA. Cell maturation: Hallmarks, triggers, and manipulation[J]. Cell,2022, 185:235-249.