細胞感知并響應(yīng)微環(huán)境的機械力學(xué)性能

隨著細胞力學(xué)行為相關(guān)研究的不斷深入，細胞與其微環(huán)境的物理力學(xué)聯(lián)系不斷被揭示。力學(xué)刺激與響應(yīng)已被充分證明在微觀的細胞鋪展、遷移、增殖、分化等行為，以及宏觀的胚胎發(fā)育、組織形成、疾病發(fā)展等至關(guān)重要的生物過程中扮演決定性角色。與細胞力刺激相關(guān)的剛度、形貌、配體分布等物理性能也因此成為生物材料設(shè)計的重要參數(shù)。

細胞的黏附、遷移、增殖、分化、凋亡等功能均會受到力的調(diào)控，細胞能夠直接感應(yīng)眾多物理力學(xué)刺激，包括微環(huán)境的剛度、形貌、黏附蛋白配體分布與動態(tài)行為等多種機械力學(xué)特性。這些力學(xué)信號令細胞作出一系列響應(yīng)，不同彈性模量的基質(zhì)不僅影響細胞鋪展黏附，還能誘導(dǎo)細胞命運抉擇；與機體組織模量相似的微環(huán)境界面，可誘導(dǎo)干細胞分化為相應(yīng)組織的功能性細胞。

物理力學(xué)因素都是通過細胞力學(xué)響應(yīng)機制被細胞所識別，微環(huán)境的化學(xué)成分也能通過細胞黏附蛋白而間接影響細胞力學(xué)響應(yīng)。力學(xué)信號還與眾多生化因子調(diào)節(jié)信號通路有交叉協(xié)同作用，調(diào)控生化因子對細胞功能的調(diào)節(jié)功效。結(jié)合現(xiàn)代分子生物學(xué)、醫(yī)學(xué)技術(shù)與材料科學(xué)對細胞力學(xué)響應(yīng)的深入研究將有助于更好地理解組織發(fā)育與疾病治療。

細胞內(nèi)的力學(xué)響應(yīng)

(1) 蛋白分子鏈(molecular clutch)的組裝；(2) 細胞力的產(chǎn)生與傳遞；(3) 生化因子信號的激活；(4) 力作用下的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。以上細胞感應(yīng)微環(huán)境機械力學(xué)特性, 并將其轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)錄活性的過程統(tǒng)稱為力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(mechanotransduction)。其中，包括機械力在細胞骨架與蛋白分子鏈的傳遞，以及轉(zhuǎn)導(dǎo)為生化因子信號激活轉(zhuǎn)錄子與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)子兩種方式。

細胞力學(xué)響應(yīng)調(diào)控組織發(fā)育與疾病過程

人體各部位組織的力學(xué)性能各有差異，因此不同的組織給予細胞不同的物理力學(xué)刺激，激活細胞內(nèi)多樣化的機械力轉(zhuǎn)導(dǎo)信號通路，令細胞功能與命運作出與組織機械力學(xué)特性相適應(yīng)的響應(yīng)。發(fā)育成熟的組織功能仍然依賴于微環(huán)境機械力學(xué)刺激。心血管疾病中, 動脈粥樣硬化是由于血管內(nèi)皮細胞與平滑肌細胞受到過度的力學(xué)調(diào)控。與動脈粥樣硬化相似，眾多臟器的硬化也是典型受力學(xué)調(diào)控的疾病。

循環(huán)拉伸有助于細胞生長、分化

任何跑步者都會說在沙灘上跑步比在柏油路上跑步更具挑戰(zhàn)性。沙子的阻力意味著雙腳會陷入柔軟的表面，因此需要不斷適應(yīng)不斷變化的表面，最終會消耗更多的能量來保持平衡和協(xié)調(diào)。同樣地，體內(nèi)的細胞在堅硬的支撐層上生長與在柔軟的支撐層上生長時反應(yīng)不同。通過機械轉(zhuǎn)導(dǎo)，細胞感知刺激并將其轉(zhuǎn)化為生化信號。細胞將通過調(diào)整它們的形狀和粘性來做出反應(yīng)。