力學(xué)與細(xì)胞培養(yǎng)

力是使物體變形、運(yùn)動和/或改變運(yùn)動狀態(tài)的機(jī)械作用。機(jī)體處于力學(xué)環(huán)境之中，機(jī)體的各項(xiàng)生命活動均受力學(xué)因素的影響。力不僅誘導(dǎo)機(jī)體組織細(xì)胞生變形效應(yīng)和/或運(yùn)動效應(yīng)，而且可引發(fā)復(fù)雜的生理功能改變。生物力學(xué)(biomechanics)是研究生命體變形和運(yùn)動的學(xué)科，通過生物學(xué)與力學(xué)原理方法的有機(jī)結(jié)合，認(rèn)識生命過程的規(guī)律，解決生命與健康領(lǐng)域的科學(xué)問題。上世紀(jì)90年代以來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，生物力學(xué)的研究逐漸深入到細(xì)胞分子層次，生物力學(xué)自身也在不斷發(fā)展。

力學(xué)生物學(xué)(mechanobiology)就是生物力學(xué)的一個新興的多學(xué)科領(lǐng)域，主要包括肌細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)、生物工程和生物物理學(xué)。力學(xué)生物學(xué)主要通過研究力學(xué)環(huán)境對生物體健康、疾病或損傷的影響，闡明力與機(jī)體發(fā)育、生長、重建、適應(yīng)性變化和修復(fù)等的相互關(guān)系，從而促進(jìn)病理機(jī)制的研究和發(fā)展有效的治療策略。力學(xué)生物學(xué)的研究重心側(cè)重于機(jī)械力調(diào)控組織的形態(tài)和結(jié)構(gòu)變化過程，即組織如何通過細(xì)胞對力學(xué)刺激產(chǎn)生反饋，維持形態(tài)結(jié)構(gòu)并適應(yīng)環(huán)境。研究的問題主要涉及力學(xué)刺激信號、信號傳導(dǎo)通路和細(xì)胞受力后的反應(yīng)過程三大部分的內(nèi)容。

生物體內(nèi)的細(xì)胞生長在復(fù)雜的三維基質(zhì)結(jié)構(gòu)中，外界力學(xué)作用通過基質(zhì)傳導(dǎo)至細(xì)胞各處，刺激細(xì)胞功能，進(jìn)而影響組織生長和重建。力學(xué)刺激( 如壓力、拉力、剪切力等)在調(diào)節(jié)細(xì)胞行為中發(fā)揮重要作用，通過研究細(xì)胞的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律可以為疾病治療提供參考。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得物理力的測量和力學(xué)感受器如何跨結(jié)構(gòu)感知和響應(yīng)物理力等的研究成為可能。新的實(shí)驗(yàn)工具和理論模型在科研領(lǐng)域的結(jié)合應(yīng)用，使得力學(xué)刺激對機(jī)體組織器官代謝和功能的影響進(jìn)一步被研究。近年來，研究人員清楚的認(rèn)識到，機(jī)械力在器官形成過程中促進(jìn)和調(diào)控關(guān)鍵的細(xì)胞過程。這類機(jī)械調(diào)節(jié)通過細(xì)胞與ECM的相互作用、細(xì)胞骨架張力形成、細(xì)胞間的連接等復(fù)雜的機(jī)械信號感知其所在的物理微環(huán)境，并伴隨產(chǎn)生肌肉神經(jīng)活動、細(xì)胞增殖、分化、凋亡和遷移等生物化學(xué)改變來調(diào)節(jié)其在組織中的行為。盡管不同的細(xì)胞類型機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的表現(xiàn)形式有很大的區(qū)別，但其潛在的細(xì)胞和分子機(jī)制基本一致。幾乎每一種蛋白都以使其自由能最小化的構(gòu)象存在，施加在蛋白上的外力會改變其能量平衡導(dǎo)致蛋白構(gòu)象改變從而改變其活性，因此，任何在細(xì)胞結(jié)構(gòu)中受到力的作用的蛋白質(zhì)都有可能成為機(jī)械傳感器。機(jī)械敏感蛋白位于質(zhì)膜的拉伸激活離子通道，拉伸激活的離子通道并不單獨(dú)起作用，而是與肌動蛋白和微管細(xì)胞骨架協(xié)同發(fā)揮作用。細(xì)胞質(zhì)膜不僅會受到剪切流等外力的影響，還會受到細(xì)胞骨架聚合、滲透壓等內(nèi)力的影響。細(xì)胞與細(xì)胞或ECM的連接，構(gòu)成了細(xì)胞機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的平臺。機(jī)械應(yīng)力可以轉(zhuǎn)化為與器官發(fā)生的遺傳程序相結(jié)合的信號，在胚胎發(fā)育、成體內(nèi)穩(wěn)態(tài)和組織器官再生過程中發(fā)揮重要作用。細(xì)胞通過將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為生化信號來對物理環(huán)境變化做出反應(yīng)，細(xì)胞在二維或三維組織環(huán)境中不斷感知其所在的物理微環(huán)境，調(diào)節(jié)細(xì)胞分化和運(yùn)動等在組織中的行為，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞功能。這種傳感需要復(fù)雜的機(jī)械信號機(jī)制，包括細(xì)胞與ECM的相互作用和細(xì)胞間的連接。目前，體外細(xì)胞加載的主要方式有流體剪切加載、離心加載、基底形變加載和真空負(fù)壓加載。其中，基底形變加載方式適用于各種貼壁細(xì)胞的體外力學(xué)實(shí)驗(yàn)，是目前一種重要的實(shí)驗(yàn)方法。此類儀器的基本原理為: 將細(xì)胞接種于柔性培養(yǎng)腔室內(nèi)，進(jìn)而通過機(jī)械裝置對依附腔室底面的細(xì)胞進(jìn)行間接應(yīng)變刺激。加載過程中需置于培養(yǎng)箱內(nèi)以保證細(xì)胞適宜的生長環(huán)境。