摘要:細(xì)胞力學(xué)研究在近年來(lái)迅速發(fā)展,揭示了細(xì)胞如何通過(guò)感知和響應(yīng)外界力學(xué)環(huán)境來(lái)調(diào)節(jié)其功能和行為。2023 年,細(xì)胞力學(xué)領(lǐng)域在理解細(xì)胞自身的力學(xué)特性、對(duì)固體和流體環(huán)境的力學(xué)感知、在動(dòng)態(tài)力學(xué)條件下的適應(yīng)性方面取得了顯著突破。同時(shí),先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)和力學(xué)模型為研究提供了新的工具。這些成果加深了對(duì)生理和病理過(guò)程的認(rèn)識(shí),并為疾病的診斷、預(yù)防和干預(yù)手段提供新的思路。本文綜述了2023 年度華人學(xué)者在細(xì)胞力學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展,探討其在不同生物過(guò)程中所展現(xiàn)的力學(xué)機(jī)制。

關(guān)鍵詞: 力學(xué)生物學(xué); 細(xì)胞力學(xué)性能; 力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo); 力學(xué)模型

力是生命體的“雕刻師",在幾乎所有的生命活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用。作為生命活動(dòng)的最小單元,細(xì)胞不僅實(shí)時(shí)感受著外界的力學(xué)刺激,也不斷通過(guò)產(chǎn)生力來(lái)響應(yīng)外界環(huán)境的變化。自2005 年認(rèn)識(shí)到大部分細(xì)胞都會(huì)響應(yīng)基質(zhì)剛度以來(lái)[1] ,細(xì)胞力學(xué)在近20 年得到了快速發(fā)展,且方興未艾。2023 年度,細(xì)胞力學(xué)領(lǐng)域在細(xì)胞自身的力學(xué)性能、對(duì)外界力學(xué)環(huán)境的感知、先進(jìn)細(xì)胞力學(xué)測(cè)量技術(shù)以及細(xì)胞力學(xué)模型等方面都取得重要突破,使得我們對(duì)生理病理的變化有了更深入的認(rèn)識(shí),而這些認(rèn)識(shí)正在不斷地改變我們對(duì)疾病的認(rèn)知、預(yù)防和干預(yù)手段。本文主要介紹華人學(xué)者2023 年度在細(xì)胞力學(xué)領(lǐng)域的典型工作。想了解更多近幾年關(guān)于細(xì)胞力學(xué)進(jìn)展的讀者可以參考文獻(xiàn)[2-5]。

1　細(xì)胞力學(xué)研究進(jìn)展

1. 1　細(xì)胞自身的力學(xué)性能

　　細(xì)胞作為一種主動(dòng)收縮的凝膠狀材料(activegel),能夠通過(guò)調(diào)整自身力學(xué)性能適應(yīng)外界環(huán)境。細(xì)胞的力學(xué)性能主要由細(xì)胞骨架決定,后者由微絲(肌動(dòng)蛋白-肌球蛋白絲)、微管和中間纖維構(gòu)成,連接了細(xì)胞膜上的力敏感蛋白和細(xì)胞核,是細(xì)胞產(chǎn)生和傳導(dǎo)力的主要結(jié)構(gòu)。外界力學(xué)刺激通過(guò)調(diào)控黏附界面影響細(xì)胞骨架的力學(xué)性能,導(dǎo)致細(xì)胞核形變,并改變轉(zhuǎn)錄因子核定位、染色質(zhì)可及性和表觀遺傳狀態(tài),從而調(diào)控細(xì)胞功能[6] 。

在進(jìn)一步探討細(xì)胞力學(xué)性能的研究中,細(xì)胞剛度和收縮性被認(rèn)為是組織功能實(shí)現(xiàn)的重要力學(xué)參數(shù)。Wang 等[7] 研究揭示,毛囊干細(xì)胞與毛胚祖細(xì)胞的力學(xué)性能存在顯著差異。在毛囊生長(zhǎng)激活過(guò)程中,毛胚祖細(xì)胞軟化,骨架收縮力下降,YAP 進(jìn)入細(xì)胞核并促使其重新進(jìn)入細(xì)胞周期。通過(guò)引入miR-205 可降低微絲骨架的收縮性,從而激活毛發(fā)再生。

同樣,細(xì)胞力學(xué)性能的變化也在細(xì)胞重編程過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。導(dǎo)入重編程基因(Brn2、Ascl1 和Myt1l) 可將成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元。Soto 等[8] 研究發(fā)現(xiàn),在這一過(guò)程中細(xì)胞剛度先升后降,Ascl1 通過(guò)促進(jìn)肌動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白表達(dá)導(dǎo)致剛度上升,而剛度下降則有助于染色質(zhì)開(kāi)放,提高重編程效率。使用骨架抑制劑、抑制黏著斑激酶或減少細(xì)胞黏附均可進(jìn)一步提升重編程效率(見(jiàn)圖1)。

圖1　誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞重編程為神經(jīng)元過(guò)程中細(xì)胞自身剛度變化[8]

相較于正常細(xì)胞,腫瘤細(xì)胞的力學(xué)性能也發(fā)生了顯著改變。惡性腫瘤細(xì)胞的剛度降低約70% 。Chen 等[9] 研究發(fā)現(xiàn),干擾微絲相關(guān)蛋白(MLDK 和mDia1)可以軟化腫瘤干細(xì)胞,促使胞質(zhì)中的β-連環(huán)素從細(xì)胞骨架中的APC 蛋白分離,并進(jìn)入細(xì)胞核,激活Wnt 通路,增強(qiáng)OCT4 基因表達(dá),從而提高自我更新和腫瘤形成能力.

除了微絲在細(xì)胞核形變中的作用外,微管在這一過(guò)程中的功能也引起了關(guān)注。Geng 等[10] 研究表明,微管通過(guò)負(fù)向調(diào)節(jié)微絲依賴(lài)的細(xì)胞核內(nèi)陷,影響染色質(zhì)重塑和細(xì)胞表型變化。破壞微絲骨架引發(fā)的核形變和染色質(zhì)可及性下降可以通過(guò)干擾微管得到部分恢復(fù)。不僅如此,細(xì)胞骨架的主動(dòng)收縮不僅幫助細(xì)胞適應(yīng)外界環(huán)境,還能夠通過(guò)重塑細(xì)胞外基質(zhì)進(jìn)一步改造外界環(huán)境。Ouyang 等[11] 設(shè)計(jì)了一種基于膠原纖維的高通量細(xì)胞團(tuán)簇培養(yǎng)平臺(tái),發(fā)現(xiàn)細(xì)胞通過(guò)主動(dòng)收縮使外基質(zhì)中的膠原纖維聚集成束。這一過(guò)程中,整合素、Piezo1 等力敏感蛋白、細(xì)胞骨架的完整性以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣通道在力信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮了重要作用。

通過(guò)這些研究,我們逐漸了解到細(xì)胞自身力學(xué)特性在調(diào)節(jié)細(xì)胞行為及其微環(huán)境中的核心作用。這些力學(xué)機(jī)制不僅有助于理解基本的細(xì)胞功能,還為組織再生、腫瘤學(xué)和細(xì)胞重編程等領(lǐng)域提供了新的研究思路。

1. 2　細(xì)胞對(duì)基質(zhì)剛度和幾何約束的感知行為

1. 2. 1　細(xì)胞對(duì)基質(zhì)剛度的感知　基質(zhì)剛度作為一種易于測(cè)量且對(duì)細(xì)胞功能影響顯著的力學(xué)因素,在生命活動(dòng)中的作用已受到廣泛關(guān)注。細(xì)胞通過(guò)膜上的力敏感蛋白(如整合素、Piezo1)感知基質(zhì)剛度,并激活下游信號(hào)通路(如黏著斑激酶),進(jìn)而調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子(如YAP / TAZ) 的核定位,最終影響細(xì)胞行為。

在這些力敏感蛋白中,整合素是介導(dǎo)細(xì)胞-基質(zhì)黏附的關(guān)鍵受體,在感知外界力學(xué)環(huán)境中扮演重要角色[12] 。細(xì)胞通過(guò)整合素黏附主動(dòng)牽拉基質(zhì),響應(yīng)其軟硬程度。Lv 等[13] 研究發(fā)現(xiàn),較軟的基質(zhì)通過(guò)整合素招募RhoGDI,使RhoA 失活,降低細(xì)胞收縮力并失活YAP,從而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞向更軟的腫瘤干細(xì)胞去分化(見(jiàn)圖2)。Ni 等[14] 研究發(fā)現(xiàn),巨噬細(xì)胞通過(guò)整合素感知植入物的不同剛度,從而調(diào)整收縮力,改變細(xì)胞膜曲率、Baiap2 蛋白的分布,導(dǎo)致不同程度的炎癥和纖維化。Zheng 等[15] 研究認(rèn)為,硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SLC26A2 的缺乏會(huì)降低基質(zhì)硫酸化水平,軟化基質(zhì),抑制FAK-YAP / TAZ 通路,導(dǎo)致成骨細(xì)胞功能障礙,最終引發(fā)骨質(zhì)疏松。此外,整合素還能響應(yīng)基質(zhì)的剛度梯度。Cheng 等[16] 研究顯示,剛度梯度通過(guò)YAP 激活調(diào)控脊索和神經(jīng)管的形態(tài)發(fā)生。Zhang 等[17] 研究表明,高剛度異質(zhì)性基底通過(guò)“荷包縫合"結(jié)構(gòu)促進(jìn)上皮細(xì)胞群體遷移。整合素也能感知基質(zhì)剛度的動(dòng)態(tài)變化。Chen 等[18] 研究發(fā)現(xiàn),基質(zhì)硬化通過(guò)整合素信號(hào)促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化。

圖2　軟基質(zhì)條件下細(xì)胞通過(guò)整合素-RhoA-YAP 通路調(diào)控癌細(xì)胞去分化[13]

Piezo1 是典型的力敏感陽(yáng)離子通道,同樣在細(xì)胞對(duì)基質(zhì)剛度的響應(yīng)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。其發(fā)現(xiàn)者Ardem Patapoutian 因此于2021 年獲諾貝爾獎(jiǎng)。高基質(zhì)剛度能激活Piezo1,導(dǎo)致鈣離子內(nèi)流并啟動(dòng)下游信號(hào)通路。Yan 等[19] 研究發(fā)現(xiàn),高基質(zhì)剛度通過(guò)Piezo1 激活YAP-pSmad2/3-SOX9 信號(hào)軸,促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞向纖維軟骨細(xì)胞分化。Zhong 等[20]研究表明,基質(zhì)剛度激活Piezo1 促使主動(dòng)脈瓣間質(zhì)細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞,導(dǎo)致主動(dòng)脈瓣鈣化。Hu等[21] 研究發(fā)現(xiàn),高剛度的淀粉樣蛋白斑塊通過(guò)Piezo1 激活腦膠質(zhì)細(xì)胞以清除自身,從而減輕認(rèn)知障礙。整合素與Piezo1 常協(xié)同作用,Xia 等[22] 研究表明,適當(dāng)?shù)幕|(zhì)剛度通過(guò)整合素/ 微絲骨架/ YAP信號(hào)軸激活耳蝸?zhàn)婕?xì)胞, 而更高的剛度則通過(guò)Piezo1 介導(dǎo)的鈣信號(hào)誘導(dǎo)其分化為聽(tīng)覺(jué)毛細(xì)胞。

除了整合素和Piezo1 的作用,新興的剛度感知機(jī)制也逐漸引起了科學(xué)家的關(guān)注。Majedi 等[23] 研究發(fā)現(xiàn),基質(zhì)剛度通過(guò)調(diào)控代謝程序影響T 細(xì)胞激活。Liu 等[24] 研究表明,高基質(zhì)剛度激活腫瘤干細(xì)胞的TAZ,促進(jìn)其與NANOG 相分離,提高干細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子(SOX2 和OCT4)的表達(dá),從而增強(qiáng)耐藥性。Feng 等[25] 綜述了一種新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞黏附分子———炭疽毒素受體1(ANTXR1),它能獨(dú)立于整合素響應(yīng)基質(zhì)剛度,調(diào)控細(xì)胞黏附、遷移和分泌等行為。

通過(guò)這些研究,越來(lái)越多的證據(jù)表明基質(zhì)剛度在細(xì)胞行為調(diào)控中具有重要作用,而整合素、Piezo1以及其他新興機(jī)制為我們提供了更多理解細(xì)胞力學(xué)的切入點(diǎn)。這不僅加深了我們對(duì)細(xì)胞感知外界力學(xué)信號(hào)的機(jī)制的認(rèn)識(shí),也為相關(guān)的疾病治療和組織工程提供了潛在的干預(yù)靶點(diǎn)。

1. 2. 2　細(xì)胞對(duì)幾何約束的感知　除了基質(zhì)剛度外,固體材料的幾何約束(如微圖案化或三維限制)也能通過(guò)改變細(xì)胞形狀和分布,進(jìn)一步調(diào)控細(xì)胞行為。這一現(xiàn)象在多個(gè)生物過(guò)程中具有重要意義,尤其是在上皮細(xì)胞的縫隙閉合中,這是胚胎發(fā)育、組織修復(fù)和傷口愈合的關(guān)鍵過(guò)程。然而,縫隙邊緣的曲率和寬度對(duì)這一過(guò)程的具體影響尚未明確。Xu 等[26] 通過(guò)設(shè)計(jì)不同寬度的直線和波狀微圖案化基底,研究了這些幾何特征對(duì)MDCK 細(xì)胞重新上皮化的影響。結(jié)果顯示,直線條紋很少誘導(dǎo)細(xì)胞垂直于傷口前緣遷移,而波狀條紋則引發(fā)了細(xì)胞的渦流運(yùn)動(dòng),加速了跨縫隙橋的形成,顯著提高了傷口愈合速度(見(jiàn)圖3)。

圖3　上皮細(xì)胞在不同黏附圖案上愈合過(guò)程[26

在腸道類(lèi)器官生成過(guò)程中,腸道類(lèi)球體模擬了胚胎發(fā)育中腸管形成的重要階段,顯示出基礎(chǔ)研究和臨床轉(zhuǎn)化的潛力。對(duì)此,Lin 等[27] 開(kāi)發(fā)了一種微圖案化腸道類(lèi)球體生成系統(tǒng)(μGSG),通過(guò)控制人多能干細(xì)胞群的大小和形狀,顯著改善了腸道類(lèi)球體生成效果,特別是在模仿腸管不同區(qū)域的形態(tài)發(fā)生上。

在干細(xì)胞研究領(lǐng)域,牙髓干細(xì)胞(dental pulpstem cells, DPSCs)作為潛力巨大的臨床干細(xì)胞療法工具,在長(zhǎng)期體外培養(yǎng)中常自發(fā)喪失多向分化能力。針對(duì)這一問(wèn)題,Li 等[28] 設(shè)計(jì)了一種微圖案化系統(tǒng),通過(guò)控制細(xì)胞的長(zhǎng)寬比,重塑細(xì)胞骨架和細(xì)胞核形態(tài),使線粒體保持未成熟狀態(tài),并抑制YAP 入核,從而增強(qiáng)了DPSCs 的干性和再生潛力。這一系統(tǒng)為未來(lái)干細(xì)胞療法提供了新的思路。

細(xì)菌感染宿主細(xì)胞的過(guò)程也受到力學(xué)微環(huán)境的影響。Feng 等[29] 通過(guò)微圖案化方法,將單層宿主細(xì)胞約束在固定大小的區(qū)域內(nèi),發(fā)現(xiàn)細(xì)菌更傾向于附著在靠近受限單層外緣的細(xì)胞上,并且這一現(xiàn)象受基質(zhì)剛度調(diào)控。這可能是由于邊緣處膠原IV表達(dá)更高所致,抑制膠原IV 能夠有效減少細(xì)菌黏附。

腫瘤細(xì)胞在受限空間中的運(yùn)動(dòng)是癌癥轉(zhuǎn)移中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。Wang 等[30] 開(kāi)發(fā)了一種模擬體內(nèi)微米級(jí)受限空間的細(xì)胞擠壓系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)細(xì)胞通過(guò)核纖層蛋白(Lamin A/ C)和波形蛋白形成正反饋回路,調(diào)控細(xì)胞核的形變能力,從而促進(jìn)變形蟲(chóng)式遷移(amoeboid migration)。

1. 3　細(xì)胞對(duì)流體剪切力和靜水壓力的感知行為

　　除了黏附于組織中的細(xì)胞,某些細(xì)胞(如內(nèi)皮細(xì)胞、循環(huán)腫瘤細(xì)胞、血液細(xì)胞、淋巴細(xì)胞)生活在液體環(huán)境中,在此情況下,流體剪切力和靜水壓對(duì)細(xì)胞的調(diào)控作用尤為顯著。

血管內(nèi)皮細(xì)胞長(zhǎng)期暴露于血液流動(dòng)產(chǎn)生的流體剪切力中,其流動(dòng)模式(層流或湍流)能夠調(diào)控促炎因子的表達(dá),從而決定內(nèi)皮細(xì)胞是否呈現(xiàn)易動(dòng)脈粥樣硬化或抗動(dòng)脈粥樣硬化的表型[31] 。Liu 等[32]研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)皮細(xì)胞的盤(pán)樣結(jié)構(gòu)域受體1(DDR1)在這一過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。流體剪切力能夠改變DDR1 的構(gòu)象,使其與YWHAE 形成液態(tài)生物分子凝聚體,抑制YAP 的磷酸化并促進(jìn)其入核,最終推動(dòng)動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生(見(jiàn)圖4)。為進(jìn)一步理解血管內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)不同剪切力的響應(yīng)機(jī)制,Ma 等[33] 建立了一個(gè)三維力學(xué)耦合模型,整合了流體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞骨架組裝、細(xì)胞核力傳遞和YAP 運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程,揭示了在病理性湍流作用下,肌動(dòng)蛋白帽的減少、細(xì)胞核軟化和YAP 入核的力學(xué)生物學(xué)機(jī)制。

圖4　血流剪切力通過(guò)DDR1 調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙[32]

在腫瘤轉(zhuǎn)移過(guò)程中,循環(huán)腫瘤細(xì)胞進(jìn)入血液后需要重新黏附于血管內(nèi)皮,進(jìn)而侵入目標(biāo)組織。Zhang 等[34] 建立了一個(gè)體外模型,模擬血液剪切力對(duì)循環(huán)腫瘤細(xì)胞與腦內(nèi)皮黏附的影響。結(jié)果表明,血液剪切力篩選出了那些能夠穩(wěn)定黏附于腦內(nèi)皮的循環(huán)腫瘤細(xì)胞,這些細(xì)胞高度表達(dá)與腦轉(zhuǎn)移相關(guān)的分子標(biāo)志物(如MUC1、VCAM1、VLA-4),表現(xiàn)出更強(qiáng)的腦轉(zhuǎn)移潛能。

靜水壓對(duì)細(xì)胞的影響對(duì)于理解高血壓和骨關(guān)節(jié)炎等疾病至關(guān)重要。Xu 等[35] 設(shè)計(jì)了一種小型裝置,用于在細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中施加恒定或循環(huán)靜水壓。該研究發(fā)現(xiàn),高靜水壓下,內(nèi)皮細(xì)胞的細(xì)胞核形態(tài)更加立體,核纖層蛋白(Lamin A/ C)聚集于細(xì)胞核邊緣,線粒體融合增加,細(xì)胞活性顯著提升。

1. 4　細(xì)胞對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)環(huán)境的感知

　　在體內(nèi),細(xì)胞所處的微環(huán)境并非靜態(tài)的彈性固體或穩(wěn)定流體,而是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的。細(xì)胞行為受到多重因素的綜合調(diào)控,包括細(xì)胞與周?chē)h(huán)境的力學(xué)相互作用、基質(zhì)的黏彈性或塑性、外力施加的力學(xué)拉伸以及動(dòng)態(tài)的黏附過(guò)程等。

在癌癥侵襲過(guò)程中,上皮細(xì)胞和癌細(xì)胞之間的力學(xué)相互作用尤為關(guān)鍵。Guan 等[36] 通過(guò)構(gòu)建體外模型發(fā)現(xiàn),上皮細(xì)胞通過(guò)力學(xué)作用自發(fā)隔離并包圍癌細(xì)胞團(tuán),激活p53 凋亡信號(hào)通路,從而抑制癌細(xì)胞的存活。這一過(guò)程中,E-鈣黏素和P-鈣黏素分別調(diào)控細(xì)胞界面的幾何形狀和力學(xué)完整性,確保癌細(xì)胞被有效隔離。

在血管生成過(guò)程中,內(nèi)皮細(xì)胞的出芽伴隨著基質(zhì)塑性形變。Wei 等[37] 通過(guò)動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)水凝膠模擬塑性可調(diào)的基質(zhì),發(fā)現(xiàn)高塑性基質(zhì)促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞黏著斑的穩(wěn)定形成,進(jìn)而激活黏著斑激酶,削弱鈣黏素的表達(dá),最終促進(jìn)血管生成。

在血管修復(fù)過(guò)程中,血管細(xì)胞受到血管壁循環(huán)拉伸的調(diào)控。Han 等[38] 研究發(fā)現(xiàn),生理范圍內(nèi)的循環(huán)拉伸可以通過(guò)上調(diào)Acsl1 增強(qiáng)內(nèi)皮祖細(xì)胞的線粒體脂肪酸代謝,促進(jìn)其對(duì)血管的黏附和分化,加快血管修復(fù)。在另一項(xiàng)研究中,該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)不同幅度的循環(huán)拉伸作用于血管平滑肌細(xì)胞,模擬正常血壓和高血壓條件[39] 。結(jié)果表明,在高血壓背景下,高幅度的循環(huán)拉伸通過(guò)抑制PGC1α 蛋白,顯著下調(diào)檸檬酸合酶和線粒體DNA,導(dǎo)致血管平滑肌細(xì)胞線粒體功能障礙。

此外,細(xì)胞與基質(zhì)之間的黏附是一個(gè)動(dòng)態(tài)循環(huán)的過(guò)程。Zhang 等[40] 開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于DNA 的整合素黏附動(dòng)態(tài)調(diào)控平臺(tái),發(fā)現(xiàn)通過(guò)循環(huán)調(diào)控黏附,能夠增強(qiáng)間充質(zhì)干細(xì)胞的肌動(dòng)蛋白組裝和力信號(hào)傳導(dǎo)。通過(guò)建立基于分子離合器的細(xì)胞骨架重塑動(dòng)力學(xué)模型,該研究揭示了整合素介導(dǎo)的循環(huán)黏附如何通過(guò)調(diào)控肌動(dòng)蛋白絲的組裝來(lái)調(diào)節(jié)下游力學(xué)信號(hào)通路的機(jī)制(見(jiàn)圖5)。

圖5　DNA 驅(qū)動(dòng)的循環(huán)整合素黏附策略和基于分子離合器的骨架重塑動(dòng)力學(xué)模型[40]

1. 5　先進(jìn)細(xì)胞力學(xué)測(cè)量技術(shù)

　　盡管我們對(duì)細(xì)胞的力學(xué)性能及其力學(xué)微環(huán)境已有相當(dāng)?shù)牧私?但常用的細(xì)胞力學(xué)測(cè)量方法(如微柱陣列、牽張力顯微鏡和原子力顯微鏡等)在空間分辨率、力學(xué)靈敏度、活細(xì)胞成像、測(cè)量通量及多尺度分析方面仍存在諸多局限。為克服這些不足,新的技術(shù)不斷涌現(xiàn),推動(dòng)了對(duì)細(xì)胞力學(xué)的更深入認(rèn)知。

例如,Wang 等[41] 開(kāi)發(fā)了一種基于DNA 的分子牽張力顯微鏡,利用DNA 發(fā)卡結(jié)構(gòu)在超過(guò)特定張力閾值下可逆打開(kāi)的特性,檢測(cè)單分子水平pN量級(jí)張力(見(jiàn)圖6)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),成纖維細(xì)胞對(duì)基質(zhì)剛度的響應(yīng)并非通過(guò)超載已有的整合素-配體鍵,而是通過(guò)增加整合素的招募和加速整合素與配體結(jié)合的頻率,促進(jìn)黏著斑的成熟。結(jié)合單細(xì)胞微圖案化技術(shù),該研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜的曲率影響?zhàn)ぶ叱叽?進(jìn)而改變高張力整合素的密度和空間分布[42] 。

圖6　基于DNA 的分子牽張力顯微鏡技術(shù)[41]

其他測(cè)量細(xì)胞力的方法也不斷創(chuàng)新。Mohagheghian 等[43] 構(gòu)建了一種可控的磁性微型機(jī)器人探針,能夠?qū)崟r(shí)量化三維培養(yǎng)細(xì)胞的收縮力。Li 等[44] 開(kāi)發(fā)了一種光子晶體細(xì)胞力顯微鏡,能夠在寬視野下高速成像細(xì)胞的垂直力。Ho 等[45] 則開(kāi)發(fā)了一個(gè)雙靶向熒光探針,能夠同時(shí)靶向細(xì)胞膜和線粒體,用于測(cè)量?jī)烧叩哪埩Α?/span>

Hu 等[46] 對(duì)多種細(xì)胞力學(xué)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)綜述,展示了這些創(chuàng)新工具在提升細(xì)胞力學(xué)研究精度和效率方面的巨大潛力。這些技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了我們?cè)诩?xì)胞生物學(xué)及其力學(xué)微環(huán)境中的新發(fā)現(xiàn)。

1. 6　細(xì)胞力學(xué)模型

　　作為與實(shí)驗(yàn)研究互補(bǔ)的手段,力學(xué)模型在細(xì)胞力學(xué)的發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用。其優(yōu)勢(shì)在于避免了復(fù)雜、重復(fù)且耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)操作,并能從有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提煉出跨時(shí)空尺度的連續(xù)理論框架,為揭示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的機(jī)制、預(yù)測(cè)新現(xiàn)象、指導(dǎo)后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)有力的工具[47] 。

在許多生物過(guò)程中(如細(xì)胞遷移、組織再生、器官發(fā)育、癌癥轉(zhuǎn)移和形態(tài)發(fā)生),細(xì)胞和組織經(jīng)歷顯著的塑性變形。與傳統(tǒng)的唯象模型不同,Sun 等[48]提出了一種基于機(jī)制的細(xì)胞和組織塑性理論,考慮了細(xì)胞主動(dòng)收縮力和內(nèi)吞囊泡形成等關(guān)鍵過(guò)程。該理論揭示,分子尺度上的肌球蛋白收縮和內(nèi)吞囊泡形成通過(guò)力學(xué)-化學(xué)反饋,觸發(fā)鄰近細(xì)胞的主動(dòng)收縮和塑性變形,最終導(dǎo)致塑性變形波以恒定速度在單層細(xì)胞中傳播。這一理論為跨尺度的細(xì)胞塑性變形行為提供了有力的解釋(見(jiàn)圖7)。

圖7　跨尺度細(xì)胞塑性力學(xué)模型[48]

在癌癥侵襲和免疫反應(yīng)過(guò)程中,細(xì)胞通過(guò)適應(yīng)前端障礙物進(jìn)行遷移。Chen 等[49] 提出了時(shí)空“阻力適應(yīng)推進(jìn)"理論,描述了細(xì)胞通過(guò)阻力觸發(fā)的微絲彎曲與微絲-Arp2/3 結(jié)合的反饋機(jī)制,調(diào)節(jié)推進(jìn)力,從而克服或繞過(guò)障礙物。這一理論為預(yù)測(cè)復(fù)雜細(xì)胞外基質(zhì)中的細(xì)胞遷移行為提供了理論工具。

在疾病的發(fā)生和發(fā)展中,評(píng)估組織力學(xué)性能的變化對(duì)疾病的診斷和預(yù)后評(píng)估至關(guān)重要。Chang等[50-51] 提出了自相似理論模型,概括了肝臟和心臟在不同尺度下的黏彈性行為,發(fā)現(xiàn)它們表現(xiàn)出普遍的兩階段冪律流變特性。隨著疾病進(jìn)展,黏彈性多尺度力學(xué)指標(biāo)(如冪律指數(shù)和彈性剛度)及其分布特征發(fā)生變化,這些指標(biāo)有望成為新的疾病診斷和預(yù)后評(píng)估依據(jù)。

其他力學(xué)模型在細(xì)胞力學(xué)研究中也取得了顯著進(jìn)展。例如,Li 等[52] 提出的單層細(xì)胞壓痕力學(xué)模型揭示了細(xì)胞密度和細(xì)胞間相互作用對(duì)上皮組織力學(xué)性能的顯著影響。在細(xì)胞響應(yīng)外界力學(xué)環(huán)境方面,Cheng 等[53] 構(gòu)建了一個(gè)涵蓋整合素黏附、骨架收縮、細(xì)胞核形變及YAP 核定位的力學(xué)模型,揭示了細(xì)胞對(duì)不同外基質(zhì)力學(xué)特性(如剛度、黏性、黏彈性等)的響應(yīng)機(jī)制;Yu 等[54] 建立了骨單位多孔彈性有限元模型,研究了在不同載荷下骨細(xì)胞取向?qū)?/span>骨液流動(dòng)的影響,為理解衰老和骨疾病中的骨細(xì)胞方向變化提供了理論依據(jù);Cheng 等[55] 通過(guò)一個(gè)理論模型描述了三維受限空間中多級(jí)紡錘體的形成過(guò)程,揭示了癌細(xì)胞染色體不穩(wěn)定性產(chǎn)生的機(jī)制。

在描述細(xì)胞遷移行為方面,Yang 等[56] 提出了一個(gè)持續(xù)隨機(jī)行走理論,統(tǒng)一了細(xì)胞正負(fù)趨硬行為的產(chǎn)生機(jī)制;Xu 等[57] 通過(guò)有限元模型分析了周期性拉伸對(duì)傷口愈合的影響,指出拉伸幅度和方向?qū)?/span>愈合速度和模式具有顯著作用;Wang 等[58] 的主動(dòng)頂點(diǎn)模型綜合了相鄰細(xì)胞間的力學(xué)相互作用及細(xì)胞內(nèi)部力學(xué)過(guò)程,揭示了在相同幾何約束下,不同類(lèi)型細(xì)胞運(yùn)動(dòng)模式差異的力學(xué)機(jī)制;Zhang 等[59] 則在經(jīng)典馬達(dá)-離合器模型的基礎(chǔ)上,整合了多層力-化學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程,模擬了中性粒細(xì)胞在基質(zhì)上的趨化遷移行為,揭示了中性粒細(xì)胞遷移過(guò)程中尾跡形成的機(jī)制。

2　總結(jié)與展望

　　2023 年的研究進(jìn)一步深化了細(xì)胞力學(xué)在疾病進(jìn)展、組織修復(fù)等生物過(guò)程中的關(guān)鍵作用,特別是在跨尺度力學(xué)行為的解析上取得了新的認(rèn)識(shí)。先進(jìn)的力學(xué)測(cè)量技術(shù)推動(dòng)了精確的細(xì)胞力學(xué)研究,而力學(xué)模型為揭示細(xì)胞在復(fù)雜環(huán)境中的行為機(jī)制提供了有力支持。未來(lái),細(xì)胞力學(xué)研究有望在再生醫(yī)學(xué)、癌癥治療等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更廣泛的應(yīng)用,跨學(xué)科合作也將加速這一領(lǐng)域的突破性進(jìn)展。