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细胞感知并响应微环境的机械力学性能

更新时间:2023-01-08      点击次数:612

随着细胞力学行为相关研究的不断深入,细胞与其微环境的物理力学联系不断被揭示。力学刺激与响应已被充分证明在微观的细胞铺展、迁移、增殖、分化等行为,以及宏观的胚胎发育、组织形成、疾病发展等至关重要的生物过程中扮演决定性角色。与细胞力刺激相关的刚度、形貌、配体分布等物理性能也因此成为生物材料设计的重要参数。

细胞的黏附、迁移、增殖、分化、凋亡等功能均会受到力的调控,细胞能够直接感应众多物理力学刺激,包括微环境的刚度、形貌、黏附蛋白配体分布与动态行为等多种机械力学特性。这些力学信号令细胞作出一系列响应,不同弹性模量的基质不仅影响细胞铺展黏附,还能诱导细胞命运抉择;与机体组织模量相似的微环境界面,可诱导干细胞分化为相应组织的功能性细胞。

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物理力学因素都是通过细胞力学响应机制被细胞所识别,微环境的化学成分也能通过细胞黏附蛋白而间接影响细胞力学响应。力学信号还与众多生化因子调节信号通路有交叉协同作用,调控生化因子对细胞功能的调节功效。结合现代分子生物学、医学技术与材料科学对细胞力学响应的深入研究将有助于更好地理解组织发育与疾病治疗。

细胞内的力学响应

(1) 蛋白分子链(molecular clutch)的组装;(2) 细胞力的产生与传递;(3) 生化因子信号的激活;(4) 力作用下的转录调控。以上细胞感应微环境机械力学特性, 并将其转化为转录活性的过程统称为力学信号转导(mechanotransduction)。其中,包括机械力在细胞骨架与蛋白分子链的传递,以及转导为生化因子信号激活转录子与转录调节子两种方式。

细胞力学响应调控组织发育与疾病过程

人体各部位组织的力学性能各有差异,因此不同的组织给予细胞不同的物理力学刺激,激活细胞内多样化的机械力转导信号通路,令细胞功能与命运作出与组织机械力学特性相适应的响应。发育成熟的组织功能仍然依赖于微环境机械力学刺激。心血管疾病中, 动脉粥样硬化是由于血管内皮细胞与平滑肌细胞受到过度的力学调控。与动脉粥样硬化相似,众多脏器的硬化也是典型受力学调控的疾病。

循环拉伸有助于细胞生长、分化

任何跑步者都会说在沙滩上跑步比在柏油路上跑步更具挑战性。沙子的阻力意味着双脚会陷入柔软的表面,因此需要不断适应不断变化的表面,最终会消耗更多的能量来保持平衡和协调。同样地,体内的细胞在坚硬的支撑层上生长与在柔软的支撑层上生长时反应不同。通过机械转导,细胞感知刺激并将其转化为生化信号。细胞将通过调整它们的形状和粘性来做出反应。