一、研究背景与意义

• 细胞力学感知（Mechanosensation） 是细胞将机械刺激转化为生化信号的过程，调控组织发育、再生、病变等生理病理过程。

• 目标：为生物材料设计提供力学依据，实现精准再生医学。

二、细胞力感知机制

1. 结构基础

• 膜受体：整合素（Integrin）、钙黏蛋白（Cadherin）等。

• 力传导链：

• 细胞-基质：ECM → 整合素 → 适配蛋白（如Talin/Vinculin）→ 肌动蛋白（F-actin）。

• 细胞-细胞：Cadherin → α/β-连环蛋白 → F-actin。

• 机械敏感离子通道：如Piezo1/2、TRPC6，响应膜张力。

• 核力传导：通过LINC复合体（Nesprin-SUN1/2-Lamin）连接核骨架与胞质骨架。

图1：细胞骨架和力敏感机制

2. 信号通路

• YAP/TAZ：力诱导核转位，调控基因表达。

• Ca²⁺信号：通过机械敏感通道触发，影响细胞收缩与分化。

3. 分子离合器模型（Clutch Model）

• 动态键合：整合素-ECM为“catch bond"（力增强结合），Talin-F-actin为“slip bond"（力削弱结合）。

• 力传导效率：取决于键合寿命、加载速率和分子亲和力。

三、细胞力感知在生理与病理中的作用

• 生理：骨重塑、伤口愈合、神经再生、心肌收缩。

• 病理：器官纤维化（肾、心）、肿瘤转移（基质硬度促进侵袭）、糖尿病血管病变。

四、生物材料设计策略

• 力学匹配：仿生材料需模拟天然组织的刚度、拓扑结构。

• 智能材料：响应pH、温度、力学刺激的动态材料（如温敏水凝胶）。

• 3D打印：梯度刚度支架（骨/软骨再生）。

• 负载结构：金属（钛合金）vs. 可降解聚合物（PLGA、PCL）的平衡。

五、细胞力学检测技术

图2：细胞力研究的不同分析方法的示意图

六、荧光张力传感器

• 类型：

• 数字可逆传感器（DTS）：PEG/DNA发夹结构，力程0-20 pN。

• 二元传感器（BTS）：dsDNA断裂阈值（10-60 pN），如TGT/ITS。

• 膜张力传感器：FliptR（荧光脂质探针）、MSS（FRET膜蛋白探针）。

• 应用：

• 量化整合素激活阈值（血小板需>43 pN）。

• 实时监测细胞迁移、粘附动力学。

七、未来方向

1. 长期监测：开发抗降解传感器（如PNA替代DNA）。

2. 实时分子互作：解析受体-配体结合寿命与加载速率。

3. AI与机器学习：自动化分析多模态力学数据。

4. 3D组织模型：整合TFM与张力传感器，模拟体内力学微环境。