生物力學分類及體外模擬重構方法

• 生物力學信號分類：

• 流體剪切力：血液等生物流體流經細胞表面產生的摩擦力，影響血管內皮細胞等多種細胞類型。

• 擠壓力：細胞外基質的纖維網絡排列、密度、彈性模量等特性以及細胞間相互作用對細胞施加的應力，有助于維持組織結構穩定性和協調細胞生理活動。

• 拉伸力：在生理活動中，細胞外基質或周圍組織發生形變對細胞產生的拉伸作用，可激活細胞內的機械敏感通路。

• 基質軟硬度：細胞外基質的硬度是細胞感知外界環境并做出響應的重要線索，影響細胞的形態、遷移能力、極化狀態以及分化方向。

• 體外模擬重構方法：

• 傳統方法：通過調控凝膠的聚合度模擬不同硬度的ECM。

• 新興技術：原子力顯微鏡（AFM）測量細胞的彈性模量、硬度等力學參數；光鑷技術精確捕獲和移動細胞并施加微小力；磁力驅動器操縱磁珠探究機械轉導與細胞功能的關系；毛細管抽吸技術提供相對封閉環境研究細胞的生物力學特性；施加流體剪切力和拉伸力的方法；微流控芯片技術實現微米尺度上的精準操控，為生物力學研究提供新的有力支撐。

  

生物力學感受器及力學傳導

• 生物力學感受器的分類：

  

• 酶介導型感受器：

• 磷脂酶cPLA2：在細胞擠壓時被激活并定位于細胞核膜內側，催化代謝生成花生四烯酸，激活細胞皮層的肌球蛋白myosin II，增強細胞收縮性，調控細胞在物理受限微環境中的遷移。

• 共濟失調突變基因ATM和ATR：ATM在受到拉伸力學刺激時磷酸化KAP1蛋白，調控染色質折疊狀態；ATR激酶能感知并響應細胞所遭受的機械應力刺激，保護核膜完整性。

• 核酸外切酶TREX1：當細胞核膜破裂時，TREX1定位至破裂處，誘導產生慢性的DNA損傷，激活SNAIL轉錄因子，誘導上皮細胞-間充質細胞轉化，增加腫瘤細胞侵襲性。

• LKB1-AMPK激酶：在細胞受到機械張力或流體剪切力時，促進肝激酶B1的活化，觸發AMPK的激活，調控細胞內部的能量代謝穩態。

  
  圖 2 擠壓力感受器及其力學轉導機制. 當細胞受到擠壓力學刺激時, 位于細胞核膜的力學感受器能夠感知并響應, 調控多種生物學過程

• 轉錄因子響應型感受器：

• 轉錄因子ETV4/5：ETV4在人類胚胎干細胞中感知并響應機械應力信號，調節胚胎干細胞的分化路徑；ETV5與脂肪瘤伴侶蛋白協同作為細胞外信號的傳感器，提高子宮內膜細胞的侵襲能力，促進子宮內膜癌的EMT過程。

• 轉錄因子KLF2：是一種關鍵的血流剪切力感受器，在胚胎發育中發揮重要作用，調節響應血管血流的內皮基因的轉錄，影響內皮形態和功能。

• 離子通道型感受器：

• PIEZO1/2：機械門控離子通道，負責介導陽離子的內流過程，參與觸覺、痛覺及本體感覺等多種機械感知信號傳導機制。

• 瞬時受體電位（TRP）家族蛋白：響應多樣化細胞外信號的膜蛋白，包括生化分子、pH變動、溫度變化、滲透壓差異及力學刺激，調控離子內流并觸發一系列特定的細胞內級聯反應。

• OSCA/TMEM63通道：迄今最大的機械激活離子通道家族，在真核生物中高度保守，能夠感知并響應強烈力學刺激。

• 鉀離子通道TRAAK, TREK-1, TREK-2：機械敏感型雙孔域鉀離子通道，在動作電位的傳導、感覺信息的轉導以及肌肉收縮等生理過程中扮演重要角色。

• Na+通道DEG/ENaC：在探究流體動力學因素對細胞功能影響的研究中，激活退化素/上皮鈉通道ENaC，觸發卵母細胞內苯扎氯銨敏感的全細胞鈉電流。

• 其他類型的力學感受器：

• 內體分選轉移復合物ESCRT III：當細胞受到過度的擠壓應力導致細胞核膜破裂時，ESCRT III中的關鍵組件CHMP4B展現出了對細胞核膜損傷及DNA損傷的敏銳感知能力，介導并執行破損核膜的修復過程。

• 染色質結構：力學信號能夠直接作用于染色質，激活基因表達，影響染色質的三維結構和相分離聚集物的特性。

總結和展望

• 生物力學感知與力學轉導領域的研究現狀：該領域致力于解析生物體如何感知并響應外界力學刺激，研究焦點之一聚集在細胞膜及細胞器膜上特異性定位的離子通道，這些離子通道通過調節離子的外流或內流，激活下游信號通路的轉導過程，誘導細胞產生相應的力學響應行為。

• 細胞核在力學信號感受和傳遞中的作用：細胞核不僅是遺傳信息的傳遞與表達中心，還是力學信號感受和傳遞的關鍵樞紐，其結構和功能受到多種力學信號的精細調控。

• 未來研究方向：

• 開發高效且精準的研究方法或工具，如基于微流控技術、微納加工方法的細胞力學刺激系統，以及可塑性生物材料，為細胞力學微環境的研究提供全新的工具。

• 深入探究細胞與力學微環境之間的動態相互作用，篩選在特定力學刺激下定位在細胞核內或核周的信號分子，并鑒定這些分子在力學感知與響應過程中的功能。

• 采用多因素整合的研究方法，將現有的體外重構方法進行有機結合，探究多種力學刺激如何協同調控細胞行為，為再生醫學、組織工程以及疾病機制研究提供更深入的理論基礎。