细胞生物力学

摘要：

细胞对其周围的微环境很敏感。单细胞的微观长度尺度使得研究细胞如何感知、解释复杂的微环境线索并将其转化为细胞反应变得具有挑战性。使用生物相容性弹性体制造的微柱和微柱阵列已被证明是研究细胞响应微环境线索产生的动态力的有用工具。这些研究为细胞力转导的潜在机制提供了重要的见解。在本章中，我们将概述微柱和微柱阵列的制造和功能化，并强调这些系统在细胞力学和力学生物学研究中的实用性。

4.2 细胞的力学生物学

动物细胞与植物和真菌细胞的不同之处在于它们缺乏封闭的细胞壁，因此需要其他方法来稳定其细胞结构和完整性。细胞可以有多种形状和大小，它们通过细胞骨架来维持。这种结构一直是细胞力学领域最感兴趣的主题，因为它极大地定义了细胞的物理特性和行为。然而，细胞膜、细胞核和细胞质也对细胞的力学有贡献（图4.1 ）。在本节中，我们将简要强调这些其他结构，然后将我们的注意力转向细胞骨架的主要组成部分。

4.1. Major structural components of a cell. The cytoskeleton is composed of actin, intermediate filaments, and microtubules. The microtubule-organizing center (MTOC) is the major site of microtubule nucleation. The mechanical properties of a cell are also defined by its membrane, nucleus, and cytoplasm.

3.1.5 细胞力学

细胞运动主要由细胞内细胞骨架肌动蛋白、微管和基质/焦点粘附的协调作用驱动。细胞运动在胚胎发育、免疫反应、伤口愈合和神经发生等许多方面都至关重要，这些都明显受到环境通过粘着斑对细胞骨架施加的机械力的影响。对于体外培养的细胞，贴壁细胞可以通过肌动蛋白细胞骨架的收缩产生牵引力，并通过粘着斑将力传递到细胞外基质。阿代-门桑等人。提出了两种形式探索细胞生物力学的普遍技术[ 248]。除了用于检测细胞刚度或弹性/粘弹性的主动方法（例如原子力显微镜、磁镊子和光镊子）之外，使用垂直微悬臂梁阵列、微加工悬臂梁和具有微图案点或网格的柔性片材的被动方法也被采用。一般应用于研究细胞牵引力或拉应力。

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Fig. 7. a) Process flow diagram for embedding iron particles into the micropillars. b) Schematic of the main part of the apparatus used to apply mechanical stimulation to cells with magnetic array. c) Schematic representation of the cell on the magnetic micropillar substrate under mechanical stimulation to its focal adhesion sites. d) The image of an aortic smooth muscle cell on the magnetic micropillar substrate. e) The fluorescent image of its actin cytoskeleton (stained with Alexa Fluor conjugated Phalloidin (Molecular Probes)). Dashed line in d) represents the outline of the cell. Reg pillar: Regular pillar. Mag. pillar: Magnetic pillar; the diameter of pillars was 3 μm. Reproduced from Ref. [260].

介绍

机械生物学的新视角目前正在生物医学研究的多个学科中出现。与传统观念相反，最近的证据表明，细胞不仅在外部刺激或配体-受体结合触发的信号事件下游调节其细胞力学，而且细胞采用多种反馈机制，使它们能够动态调整其力学以满足生理需求。需要[1,2] 。因此，这提供了一个以前无法预见的画面，其中细胞主动施加和抵抗力以调整其材料特性，从而促进其功能，这在与其他细胞或细胞外环境的物理相互作用期间尤其重要 [3,4] 。因此，量化这些细胞力已成为生物物理学、细胞生物学和免疫学 交叉学科的一项重要任务[5-7]。

测量这些细胞力具有挑战性，但牵引力显微镜(TFM)的方法可能仍然是的力探测技术。除了细胞力学机械反馈机制的复杂性之外，由于机械力测量的物理原理，细胞力探测本身就具有挑战性。由于细胞不会发出可以以非接触方式检测和分析的机械信号，因此这种量化需要力探测技术与细胞直接结合。例如，弹性模量形式的细胞机械刚度是通过使用例如原子力显微镜以给定力物理压入细胞表面来确定的 [6,8] 。在TFM实验中，通过监测细胞在给定弹性的弹性基底上产生的表面牵引力来量化细胞力的产生[9-11] 。为了使这幅图变得更加复杂，细胞机械测量还取决于它们的执行方式。特别是，细胞流变学，即依赖于时间的机械性能，在不同的时间和长度尺度上存在很大差异。在短时间尺度（毫秒）和大长度尺度（微米）上，细胞表现出多孔弹性特性，而在长时间尺度（~分钟）上，它们表现出响应外力应用的幂律行为[12 ,13]。因此，必须在多个时间和长度尺度上监测位移、细胞牵引力和周转率等参数，以便全面表征细胞机械性能和力的产生。

摘要：

机械力调节细胞功能的许多方面。直到最近，对神经系统细胞功能的机械生物学描述仍然很少。直到过去十年左右，我们通过从电生理学、分子和遗传学研究中获得的知识不断加深对神经科学和神经系统功能的理解。然而，人们早已认识到神经系统功能对机械扰动很敏感。虽然研究神经元功能的方法和途径很丰富，但研究机械力如何影响神经元活动的具体工具直到最近才出现可塑性。然而，机械生物学领域在过去几十年中取得了显着发展，并为机械力如何调节生物稳态提供了详细的定量见解通过与非神经元细胞中的经典信号传导机制合作来实现生理学。从机械生物学研究中获得的科学见解和技术方法已经开始促进神经系统研究和治疗的改进方法和途径的开发。神经科学和机械生物学的交叉导致了神经机械生物学分支学科的出现。微机械力在神经元信号传导和大脑功能中的重要性才刚刚开始被认识到。本章介绍了神经元细胞及其网络的机械特性。讨论这些特征对神经生理学的影响，以强调需要更好地理解细胞力学在神经系统功能和疾病中的作用。

细胞行为

对于细胞行为，细胞力学被认为是细胞功能的重要因素，包括迁移、基因表达和分化。了解细胞的机械特性和行为将为细胞在研究和临床试验中的应用奠定坚实的基础（Zanotelli 等人，2017；Wickström 和 Niessen，2018；Lenne 等人，2021 ）。对于细胞来说，机械力或特性是指细胞微环境中的压缩、剪切和伸长。人体含有不同的成分，形成具有特定功能的各种组织。弹性模量这些成分的范围从大脑中的几帕斯卡到 骨骼中的 G Pa。生活在具有各种机械特性的环境中，有必要研究细胞在生理相关时间尺度下如何对机械刺激做出反应。细胞是组织、器官和整个身体的基本组成部分。此外，细胞行为是动态的。它们根据其功能状态或响应周围环境的变化而改变其机械性能。通过它们的细胞骨架（能够聚合并增强相关结构，使其具有更强的粘附力，或进行处理以降低相关结构的刚度）用于在较软的环境中使用），它们保持机械力与细胞外环境相互作用（Cosgrove，2018；Cameron 和 Geitmann，2018；Torrino 和 Bertero，2022；Pelletier 等，2022）。

细胞骨架产生的物理力帮助细胞爬行、收缩以及与环境相互作用。，细胞的机械性能与细胞内部产生的或外部施加的力之间的相互作用在维持细胞的正常功能中发挥着重要作用。一旦细胞感知到异常的机械信号或异常的环境，细胞的功能就会被破坏，从而导致疾病状态。对于干细胞来说，机械行为和与周围环境的相互作用甚至至关重要。研究表明，源自天然心脏组织的多能细胞受到基质硬度的持续监测。培养基质与天然培养基质具有相似的刚度心肌可以增强增殖、内皮分化和形态发生。有证据表明，基质上的细胞手性也会影响干细胞谱系的定向。随着相关研究的进一步深入，对干细胞行为的深入探索将超越肉眼，并在临床上得到显着有效的利用( Yang et al., 2018 ; Harris et al., 2019 ; Kupferman et al., 2020 ; Goodwin 和 Nelson，2021； Yao 等人，2021）。

介绍

心脏及其子结构（包括心室、小梁和瓣膜）的发育是一个复杂且多方面的过程。虽然遗传学无疑是发育的核心，但现在人们知道生物力学力为心脏组织和结构的正确发育提供了必要的表观遗传线索。此外，生物力学环境的早期改变与许多先天性心脏病的病因有关。我们将力学、细胞生物学以及心脏结构和性能之间的相互作用概念化为“力学生物学反馈循环”（见图1 ）。力学生物学循环本质上是多尺度的，涉及多个物理过程；因此没有任何一种技术可以对其进行完整的研究。相反，通常使用三类工具来探测循环的不同部分。遗传和分子分析对于了解细胞如何感知机械刺激以及这些刺激如何在细胞内和细胞间传递以促进组织尺度重塑至关重要。计算模型已成为一种强大的工具，可以以高空间和时间精度量化生物力学力，结合多个尺度的信息，有可能产生心脏的完整力学描述。最后，高分辨率体内成像通常与前两种工具配合使用。具有遗传性和分子分析、成像可以识别特定遗传标记是否以及在何处表达。通过计算建模，成像对于获得组织尺度特性和器官尺度动力学是必要的，这通常是心脏生理计算模型的重要输入。 4D 流 MRI、超声多普勒和粒子图像测速(PIV)等成像技术也用于验证模拟心脏血流的数值方法[ 1-3 ]。

Figure 1. Mechanobiology conceptualized as a feedback loop. Cells sense biomechanical stimuli through mechanotransducers and respond by engaging specific biochemical pathways and cell-scale signaling. This leads to tissue remodeling, which modulates cardiac function and morphology, which in turn determine the biomechanical environment, completing the loop. Mechanical interventions and genetic/pharmacological treatments are used to perturb the loop. Three tools (computational modeling, genetic and molecular analysis, and high-resolution imaging) are used to investigate different sections of the loop. This review focuses on computational modeling. Created with BioRender.

1.2 量化癌细胞生物力学

我们将细胞力学分为三种机械属性：粘弹性、力产生和机械传感。这些属性中的每一个都可以通过多种方式进行量化，并且这些属性的差异与致癌转化和/或恶性肿瘤相关。

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• 粘弹性代表细胞抵抗施加力后瞬时和逐渐变形的能力。发生这种情况是因为细胞响应压力而表现出弹性和粘性行为。在癌症中，细胞的变形能力对于挤压内渗或变形虫迁移等过程中的间隙非常重要。此外，由于报道的癌症和健康细胞之间的差异，细胞弹性被提议作为癌细胞生物标志[12]。

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• 力的产生代表细胞产生机械张力的能力。这是细胞与其物理环境的张力稳态以及细胞迁移所需的表面粘附和牵引力产生所必需的。

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• 机械传感代表细胞响应机械刺激而改变其物理和/或化学表型的能力。，癌细胞能够机械感知其环境，细胞周围的物理变化可以促进侵袭和转移所需的表型变化。此外，癌症相关细胞还可以通过对其刚性做出反应来增强肿瘤微环境，从而导致癌症相关细胞激活和纤维化正反馈循环。

细胞骨架影响细胞力学的各个方面，粘弹性、力产生和机械传感这三种机械特性并不是孤立起作用的。因此，机械分析的一个关键方面是研究这些不同属性之间的相互作用。例如，复杂的转移级联，从最初的肿瘤生长到到达继发部位，涉及许多步骤，其中细胞的机械特性有助于转移效率。