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力学与细胞培养

更新时间:2022-10-04      点击次数:432

力是使物体变形、运动和/或改变运动状态的机械作用。机体处于力学环境之中,机体的各项生命活动均受力学因素的影响。力不仅诱导机体组织细胞生变形效应和/或运动效应,而且可引发复杂的生理功能改变。生物力学(biomechanics)是研究生命体变形和运动的学科,通过生物学与力学原理方法的有机结合,认识生命过程的规律,解决生命与健康领域的科学问题。上世纪90年代以来,随着科学技术的进步,生物力学的研究逐渐深入到细胞分子层次,生物力学自身也在不断发展。

力学生物学(mechanobiology)就是生物力学的一个新兴的多学科领域,主要包括肌细胞和发育生物学、生物工程和生物物理学。力学生物学主要通过研究力学环境对生物体健康、疾病或损伤的影响,阐明力与机体发育、生长、重建、适应性变化和修复等的相互关系,从而促进病理机制的研究和发展有效的治疗策略。力学生物学的研究重心侧重于机械力调控组织的形态和结构变化过程,即组织如何通过细胞对力学刺激产生反馈,维持形态结构并适应环境。研究的问题主要涉及力学刺激信号、信号传导通路和细胞受力后的反应过程三大部分的内容。

生物体内的细胞生长在复杂的三维基质结构中,外界力学作用通过基质传导至细胞各处,刺激细胞功能,进而影响组织生长和重建。力学刺激( 如压力、拉力、剪切力等)在调节细胞行为中发挥重要作用,通过研究细胞的力学响应规律可以为疾病治疗提供参考。科学技术的发展使得物理力的测量和力学感受器如何跨结构感知和响应物理力等的研究成为可能。新的实验工具和理论模型在科研领域的结合应用,使得力学刺激对机体组织器官代谢和功能的影响进一步被研究。近年来,研究人员清楚的认识到,机械力在器官形成过程中促进和调控关键的细胞过程。这类机械调节通过细胞与ECM的相互作用、细胞骨架张力形成、细胞间的连接等复杂的机械信号感知其所在的物理微环境,并伴随产生肌肉神经活动、细胞增殖、分化、凋亡和迁移等生物化学改变来调节其在组织中的行为。尽管不同的细胞类型机械转导的表现形式有很大的区别,但其潜在的细胞和分子机制基本一致。几乎每一种蛋白都以使其自由能最小化的构象存在,施加在蛋白上的外力会改变其能量平衡导致蛋白构象改变从而改变其活性,因此,任何在细胞结构中受到力的作用的蛋白质都有可能成为机械传感器。机械敏感蛋白位于质膜的拉伸激活离子通道,拉伸激活的离子通道并不单独起作用,而是与肌动蛋白和微管细胞骨架协同发挥作用。细胞质膜不仅会受到剪切流等外力的影响,还会受到细胞骨架聚合、渗透压等内力的影响。细胞与细胞或ECM的连接,构成了细胞机械转导的平台。机械应力可以转化为与器官发生的遗传程序相结合的信号,在胚胎发育、成体内稳态和组织器官再生过程中发挥重要作用。细胞通过将机械刺激转化为生化信号来对物理环境变化做出反应,细胞在二维或三维组织环境中不断感知其所在的物理微环境,调节细胞分化和运动等在组织中的行为,进而调节细胞功能。这种传感需要复杂的机械信号机制,包括细胞与ECM的相互作用和细胞间的连接。目前,体外细胞加载的主要方式有流体剪切加载、离心加载、基底形变加载和真空负压加载。其中,基底形变加载方式适用于各种贴壁细胞的体外力学实验,是目前一种重要的实验方法。此类仪器的基本原理为: 将细胞接种于柔性培养腔室内,进而通过机械装置对依附腔室底面的细胞进行间接应变刺激。加载过程中需置于培养箱内以保证细胞适宜的生长环境。