摘要：

細胞對其周圍的微環(huán)境很敏感。單細胞的微觀長度尺度使得研究細胞如何感知、解釋復雜的微環(huán)境線索并將其轉化為細胞反應變得具有挑戰(zhàn)性。使用生物相容性彈性體制造的微柱和微柱陣列已被證明是研究細胞響應微環(huán)境線索產(chǎn)生的動態(tài)力的有用工具。這些研究為細胞力轉導的潛在機制提供了重要的見解。在本章中，我們將概述微柱和微柱陣列的制造和功能化，并強調這些系統(tǒng)在細胞力學和力學生物學研究中的實用性。

4.2 細胞的力學生物學

動物細胞與植物和真菌細胞的不同之處在于它們缺乏封閉的細胞壁，因此需要其他方法來穩(wěn)定其細胞結構和完整性。細胞可以有多種形狀和大小，它們通過細胞骨架來維持。這種結構一直是細胞力學領域最感興趣的主題，因為它極大地定義了細胞的物理特性和行為。然而，細胞膜、細胞核和細胞質也對細胞的力學有貢獻（圖4.1 ）。在本節(jié)中，我們將簡要強調這些其他結構，然后將我們的注意力轉向細胞骨架的主要組成部分。

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 細胞力學

細胞運動主要由細胞內細胞骨架肌動蛋白、微管和基質/焦點粘附的協(xié)調作用驅動。細胞運動在胚胎發(fā)育、免疫反應、傷口愈合和神經(jīng)發(fā)生等許多方面都至關重要，這些都明顯受到環(huán)境通過粘著斑對細胞骨架施加的機械力的影響。對于體外培養(yǎng)的細胞，貼壁細胞可以通過肌動蛋白細胞骨架的收縮產(chǎn)生牽引力，并通過粘著斑將力傳遞到細胞外基質。阿代-門桑等人。提出了兩種形式探索細胞生物力學的普遍技術[ 248]。除了用于檢測細胞剛度或彈性/粘彈性的主動方法（例如原子力顯微鏡、磁鑷子和光鑷子）之外，使用垂直微懸臂梁陣列、微加工懸臂梁和具有微圖案點或網(wǎng)格的柔性片材的被動方法也被采用。一般應用于研究細胞牽引力或拉應力。

Sign in to download hi-res image

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].

介紹

機械生物學的新視角目前正在生物醫(yī)學研究的多個學科中出現(xiàn)。與傳統(tǒng)觀念相反，最近的證據(jù)表明，細胞不僅在外部刺激或配體-受體結合觸發(fā)的信號事件下游調節(jié)其細胞力學，而且細胞采用多種反饋機制，使它們能夠動態(tài)調整其力學以滿足生理需求。需要[1,2] 。因此，這提供了一個以前無法預見的畫面，其中細胞主動施加和抵抗力以調整其材料特性，從而促進其功能，這在與其他細胞或細胞外環(huán)境的物理相互作用期間尤其重要 [3,4] 。因此，量化這些細胞力已成為生物物理學、細胞生物學和免疫學 交叉學科的一項重要任務[5-7]。

測量這些細胞力具有挑戰(zhàn)性，但牽引力顯微鏡(TFM)的方法可能仍然是的力探測技術。除了細胞力學機械反饋機制的復雜性之外，由于機械力測量的物理原理，細胞力探測本身就具有挑戰(zhàn)性。由于細胞不會發(fā)出可以以非接觸方式檢測和分析的機械信號，因此這種量化需要力探測技術與細胞直接結合。例如，彈性模量形式的細胞機械剛度是通過使用例如原子力顯微鏡以給定力物理壓入細胞表面來確定的 [6,8] 。在TFM實驗中，通過監(jiān)測細胞在給定彈性的彈性基底上產(chǎn)生的表面牽引力來量化細胞力的產(chǎn)生[9-11] 。為了使這幅圖變得更加復雜，細胞機械測量還取決于它們的執(zhí)行方式。特別是，細胞流變學，即依賴于時間的機械性能，在不同的時間和長度尺度上存在很大差異。在短時間尺度（毫秒）和大長度尺度（微米）上，細胞表現(xiàn)出多孔彈性特性，而在長時間尺度（~分鐘）上，它們表現(xiàn)出響應外力應用的冪律行為[12 ,13]。因此，必須在多個時間和長度尺度上監(jiān)測位移、細胞牽引力和周轉率等參數(shù)，以便全面表征細胞機械性能和力的產(chǎn)生。

摘要：

機械力調節(jié)細胞功能的許多方面。直到最近，對神經(jīng)系統(tǒng)細胞功能的機械生物學描述仍然很少。直到過去十年左右，我們通過從電生理學、分子和遺傳學研究中獲得的知識不斷加深對神經(jīng)科學和神經(jīng)系統(tǒng)功能的理解。然而，人們早已認識到神經(jīng)系統(tǒng)功能對機械擾動很敏感。雖然研究神經(jīng)元功能的方法和途徑很豐富，但研究機械力如何影響神經(jīng)元活動的具體工具直到最近才出現(xiàn)可塑性。然而，機械生物學領域在過去幾十年中取得了顯著發(fā)展，并為機械力如何調節(jié)生物穩(wěn)態(tài)提供了詳細的定量見解通過與非神經(jīng)元細胞中的經(jīng)典信號傳導機制合作來實現(xiàn)生理學。從機械生物學研究中獲得的科學見解和技術方法已經(jīng)開始促進神經(jīng)系統(tǒng)研究和治療的改進方法和途徑的開發(fā)。神經(jīng)科學和機械生物學的交叉導致了神經(jīng)機械生物學分支學科的出現(xiàn)。微機械力在神經(jīng)元信號傳導和大腦功能中的重要性才剛剛開始被認識到。本章介紹了神經(jīng)元細胞及其網(wǎng)絡的機械特性。討論這些特征對神經(jīng)生理學的影響，以強調需要更好地理解細胞力學在神經(jīng)系統(tǒng)功能和疾病中的作用。

細胞行為

對于細胞行為，細胞力學被認為是細胞功能的重要因素，包括遷移、基因表達和分化。了解細胞的機械特性和行為將為細胞在研究和臨床試驗中的應用奠定堅實的基礎（Zanotelli 等人，2017；Wickstr?m 和 Niessen，2018；Lenne 等人，2021 ）。對于細胞來說，機械力或特性是指細胞微環(huán)境中的壓縮、剪切和伸長。人體含有不同的成分，形成具有特定功能的各種組織。彈性模量這些成分的范圍從大腦中的幾帕斯卡到 骨骼中的 G Pa。生活在具有各種機械特性的環(huán)境中，有必要研究細胞在生理相關時間尺度下如何對機械刺激做出反應。細胞是組織、器官和整個身體的基本組成部分。此外，細胞行為是動態(tài)的。它們根據(jù)其功能狀態(tài)或響應周圍環(huán)境的變化而改變其機械性能。通過它們的細胞骨架（能夠聚合并增強相關結構，使其具有更強的粘附力，或進行處理以降低相關結構的剛度）用于在較軟的環(huán)境中使用），它們保持機械力與細胞外環(huán)境相互作用（Cosgrove，2018；Cameron 和 Geitmann，2018；Torrino 和 Bertero，2022；Pelletier 等，2022）。

細胞骨架產(chǎn)生的物理力幫助細胞爬行、收縮以及與環(huán)境相互作用。，細胞的機械性能與細胞內部產(chǎn)生的或外部施加的力之間的相互作用在維持細胞的正常功能中發(fā)揮著重要作用。一旦細胞感知到異常的機械信號或異常的環(huán)境，細胞的功能就會被破壞，從而導致疾病狀態(tài)。對于干細胞來說，機械行為和與周圍環(huán)境的相互作用甚至至關重要。研究表明，源自天然心臟組織的多能細胞受到基質硬度的持續(xù)監(jiān)測。培養(yǎng)基質與天然培養(yǎng)基質具有相似的剛度心肌可以增強增殖、內皮分化和形態(tài)發(fā)生。有證據(jù)表明，基質上的細胞手性也會影響干細胞譜系的定向。隨著相關研究的進一步深入，對干細胞行為的深入探索將超越肉眼，并在臨床上得到顯著有效的利用( Yang et al., 2018 ; Harris et al., 2019 ; Kupferman et al., 2020 ; Goodwin 和 Nelson，2021； Yao 等人，2021）。

介紹

心臟及其子結構（包括心室、小梁和瓣膜）的發(fā)育是一個復雜且多方面的過程。雖然遺傳學無疑是發(fā)育的核心，但現(xiàn)在人們知道生物力學力為心臟組織和結構的正確發(fā)育提供了必要的表觀遺傳線索。此外，生物力學環(huán)境的早期改變與許多先天性心臟病的病因有關。我們將力學、細胞生物學以及心臟結構和性能之間的相互作用概念化為“力學生物學反饋循環(huán)”（見圖1 ）。力學生物學循環(huán)本質上是多尺度的，涉及多個物理過程；因此沒有任何一種技術可以對其進行完整的研究。相反，通常使用三類工具來探測循環(huán)的不同部分。遺傳和分子分析對于了解細胞如何感知機械刺激以及這些刺激如何在細胞內和細胞間傳遞以促進組織尺度重塑至關重要。計算模型已成為一種強大的工具，可以以高空間和時間精度量化生物力學力，結合多個尺度的信息，有可能產(chǎn)生心臟的完整力學描述。最后，高分辨率體內成像通常與前兩種工具配合使用。具有遺傳性和分子分析、成像可以識別特定遺傳標記是否以及在何處表達。通過計算建模，成像對于獲得組織尺度特性和器官尺度動力學是必要的，這通常是心臟生理計算模型的重要輸入。 4D 流 MRI、超聲多普勒和粒子圖像測速(PIV)等成像技術也用于驗證模擬心臟血流的數(shù)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 量化癌細胞生物力學

我們將細胞力學分為三種機械屬性：粘彈性、力產(chǎn)生和機械傳感。這些屬性中的每一個都可以通過多種方式進行量化，并且這些屬性的差異與致癌轉化和/或惡性腫瘤相關。

• •

• 粘彈性代表細胞抵抗施加力后瞬時和逐漸變形的能力。發(fā)生這種情況是因為細胞響應壓力而表現(xiàn)出彈性和粘性行為。在癌癥中，細胞的變形能力對于擠壓內滲或變形蟲遷移等過程中的間隙非常重要。此外，由于報道的癌癥和健康細胞之間的差異，細胞彈性被提議作為癌細胞生物標志[12]。

• •

• 力的產(chǎn)生代表細胞產(chǎn)生機械張力的能力。這是細胞與其物理環(huán)境的張力穩(wěn)態(tài)以及細胞遷移所需的表面粘附和牽引力產(chǎn)生所必需的。

• •

• 機械傳感代表細胞響應機械刺激而改變其物理和/或化學表型的能力。，癌細胞能夠機械感知其環(huán)境，細胞周圍的物理變化可以促進侵襲和轉移所需的表型變化。此外，癌癥相關細胞還可以通過對其剛性做出反應來增強腫瘤微環(huán)境，從而導致癌癥相關細胞激活和纖維化正反饋循環(huán)。

細胞骨架影響細胞力學的各個方面，粘彈性、力產(chǎn)生和機械傳感這三種機械特性并不是孤立起作用的。因此，機械分析的一個關鍵方面是研究這些不同屬性之間的相互作用。例如，復雜的轉移級聯(lián)，從最初的腫瘤生長到到達繼發(fā)部位，涉及許多步驟，其中細胞的機械特性有助于轉移效率。