細胞力學(xué)2023 年度研究進展

摘要:細胞力學(xué)研究在近年來迅速發(fā)展,揭示了細胞如何通過感知和響應(yīng)外界力學(xué)環(huán)境來調(diào)節(jié)其功能和行為。2023 年,細胞力學(xué)領(lǐng)域在理解細胞自身的力學(xué)特性、對固體和流體環(huán)境的力學(xué)感知、在動態(tài)力學(xué)條件下的適應(yīng)性方面取得了顯著突破。同時,先進的測量技術(shù)和力學(xué)模型為研究提供了新的工具。這些成果加深了對生理和病理過程的認識,并為疾病的診斷、預(yù)防和干預(yù)手段提供新的思路。本文綜述了2023 年度華人學(xué)者在細胞力學(xué)領(lǐng)域的研究進展,探討其在不同生物過程中所展現(xiàn)的力學(xué)機制。

關(guān)鍵詞: 力學(xué)生物學(xué); 細胞力學(xué)性能; 力信號轉(zhuǎn)導(dǎo); 力學(xué)模型

力是生命體的“雕刻師",在幾乎所有的生命活動中發(fā)揮著重要作用。作為生命活動的最小單元,細胞不僅實時感受著外界的力學(xué)刺激,也不斷通過產(chǎn)生力來響應(yīng)外界環(huán)境的變化。自2005 年認識到大部分細胞都會響應(yīng)基質(zhì)剛度以來[1] ,細胞力學(xué)在近20 年得到了快速發(fā)展,且方興未艾。2023 年度,細胞力學(xué)領(lǐng)域在細胞自身的力學(xué)性能、對外界力學(xué)環(huán)境的感知、先進細胞力學(xué)測量技術(shù)以及細胞力學(xué)模型等方面都取得重要突破,使得我們對生理病理的變化有了更深入的認識,而這些認識正在不斷地改變我們對疾病的認知、預(yù)防和干預(yù)手段。本文主要介紹華人學(xué)者2023 年度在細胞力學(xué)領(lǐng)域的典型工作。想了解更多近幾年關(guān)于細胞力學(xué)進展的讀者可以參考文獻[2-5]。

1　細胞力學(xué)研究進展

1. 1　細胞自身的力學(xué)性能

　　細胞作為一種主動收縮的凝膠狀材料(activegel),能夠通過調(diào)整自身力學(xué)性能適應(yīng)外界環(huán)境。細胞的力學(xué)性能主要由細胞骨架決定,后者由微絲(肌動蛋白-肌球蛋白絲)、微管和中間纖維構(gòu)成,連接了細胞膜上的力敏感蛋白和細胞核,是細胞產(chǎn)生和傳導(dǎo)力的主要結(jié)構(gòu)。外界力學(xué)刺激通過調(diào)控黏附界面影響細胞骨架的力學(xué)性能,導(dǎo)致細胞核形變,并改變轉(zhuǎn)錄因子核定位、染色質(zhì)可及性和表觀遺傳狀態(tài),從而調(diào)控細胞功能[6] 。

在進一步探討細胞力學(xué)性能的研究中,細胞剛度和收縮性被認為是組織功能實現(xiàn)的重要力學(xué)參數(shù)。Wang 等[7] 研究揭示,毛囊干細胞與毛胚祖細胞的力學(xué)性能存在顯著差異。在毛囊生長激活過程中,毛胚祖細胞軟化,骨架收縮力下降,YAP 進入細胞核并促使其重新進入細胞周期。通過引入miR-205 可降低微絲骨架的收縮性,從而激活毛發(fā)再生。

同樣,細胞力學(xué)性能的變化也在細胞重編程過程中發(fā)揮了重要作用。導(dǎo)入重編程基因(Brn2、Ascl1 和Myt1l) 可將成纖維細胞轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元。Soto 等[8] 研究發(fā)現(xiàn),在這一過程中細胞剛度先升后降,Ascl1 通過促進肌動蛋白相關(guān)蛋白表達導(dǎo)致剛度上升,而剛度下降則有助于染色質(zhì)開放,提高重編程效率。使用骨架抑制劑、抑制黏著斑激酶或減少細胞黏附均可進一步提升重編程效率(見圖1)。

圖1　誘導(dǎo)成纖維細胞重編程為神經(jīng)元過程中細胞自身剛度變化[8]

相較于正常細胞,腫瘤細胞的力學(xué)性能也發(fā)生了顯著改變。惡性腫瘤細胞的剛度降低約70% 。Chen 等[9] 研究發(fā)現(xiàn),干擾微絲相關(guān)蛋白(MLDK 和mDia1)可以軟化腫瘤干細胞,促使胞質(zhì)中的β-連環(huán)素從細胞骨架中的APC 蛋白分離,并進入細胞核,激活Wnt 通路,增強OCT4 基因表達,從而提高自我更新和腫瘤形成能力.

除了微絲在細胞核形變中的作用外,微管在這一過程中的功能也引起了關(guān)注。Geng 等[10] 研究表明,微管通過負向調(diào)節(jié)微絲依賴的細胞核內(nèi)陷,影響染色質(zhì)重塑和細胞表型變化。破壞微絲骨架引發(fā)的核形變和染色質(zhì)可及性下降可以通過干擾微管得到部分恢復(fù)。不僅如此,細胞骨架的主動收縮不僅幫助細胞適應(yīng)外界環(huán)境,還能夠通過重塑細胞外基質(zhì)進一步改造外界環(huán)境。Ouyang 等[11] 設(shè)計了一種基于膠原纖維的高通量細胞團簇培養(yǎng)平臺,發(fā)現(xiàn)細胞通過主動收縮使外基質(zhì)中的膠原纖維聚集成束。這一過程中,整合素、Piezo1 等力敏感蛋白、細胞骨架的完整性以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣通道在力信號傳導(dǎo)中發(fā)揮了重要作用。

通過這些研究,我們逐漸了解到細胞自身力學(xué)特性在調(diào)節(jié)細胞行為及其微環(huán)境中的核心作用。這些力學(xué)機制不僅有助于理解基本的細胞功能,還為組織再生、腫瘤學(xué)和細胞重編程等領(lǐng)域提供了新的研究思路。

1. 2　細胞對基質(zhì)剛度和幾何約束的感知行為

1. 2. 1　細胞對基質(zhì)剛度的感知　基質(zhì)剛度作為一種易于測量且對細胞功能影響顯著的力學(xué)因素,在生命活動中的作用已受到廣泛關(guān)注。細胞通過膜上的力敏感蛋白(如整合素、Piezo1)感知基質(zhì)剛度,并激活下游信號通路(如黏著斑激酶),進而調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子(如YAP / TAZ) 的核定位,最終影響細胞行為。

在這些力敏感蛋白中,整合素是介導(dǎo)細胞-基質(zhì)黏附的關(guān)鍵受體,在感知外界力學(xué)環(huán)境中扮演重要角色[12] 。細胞通過整合素黏附主動牽拉基質(zhì),響應(yīng)其軟硬程度。Lv 等[13] 研究發(fā)現(xiàn),較軟的基質(zhì)通過整合素招募RhoGDI,使RhoA 失活,降低細胞收縮力并失活YAP,從而誘導(dǎo)腫瘤細胞向更軟的腫瘤干細胞去分化(見圖2)。Ni 等[14] 研究發(fā)現(xiàn),巨噬細胞通過整合素感知植入物的不同剛度,從而調(diào)整收縮力,改變細胞膜曲率、Baiap2 蛋白的分布,導(dǎo)致不同程度的炎癥和纖維化。Zheng 等[15] 研究認為,硫酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白SLC26A2 的缺乏會降低基質(zhì)硫酸化水平,軟化基質(zhì),抑制FAK-YAP / TAZ 通路,導(dǎo)致成骨細胞功能障礙,最終引發(fā)骨質(zhì)疏松。此外,整合素還能響應(yīng)基質(zhì)的剛度梯度。Cheng 等[16] 研究顯示,剛度梯度通過YAP 激活調(diào)控脊索和神經(jīng)管的形態(tài)發(fā)生。Zhang 等[17] 研究表明,高剛度異質(zhì)性基底通過“荷包縫合"結(jié)構(gòu)促進上皮細胞群體遷移。整合素也能感知基質(zhì)剛度的動態(tài)變化。Chen 等[18] 研究發(fā)現(xiàn),基質(zhì)硬化通過整合素信號促進間充質(zhì)干細胞的成骨分化。

圖2　軟基質(zhì)條件下細胞通過整合素-RhoA-YAP 通路調(diào)控癌細胞去分化[13]

Piezo1 是典型的力敏感陽離子通道,同樣在細胞對基質(zhì)剛度的響應(yīng)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。其發(fā)現(xiàn)者Ardem Patapoutian 因此于2021 年獲諾貝爾獎。高基質(zhì)剛度能激活Piezo1,導(dǎo)致鈣離子內(nèi)流并啟動下游信號通路。Yan 等[19] 研究發(fā)現(xiàn),高基質(zhì)剛度通過Piezo1 激活YAP-pSmad2/3-SOX9 信號軸,促進間充質(zhì)干細胞向纖維軟骨細胞分化。Zhong 等[20]研究表明,基質(zhì)剛度激活Piezo1 促使主動脈瓣間質(zhì)細胞分化為成骨細胞,導(dǎo)致主動脈瓣鈣化。Hu等[21] 研究發(fā)現(xiàn),高剛度的淀粉樣蛋白斑塊通過Piezo1 激活腦膠質(zhì)細胞以清除自身,從而減輕認知障礙。整合素與Piezo1 常協(xié)同作用,Xia 等[22] 研究表明,適當(dāng)?shù)幕|(zhì)剛度通過整合素/ 微絲骨架/ YAP信號軸激活耳蝸祖細胞, 而更高的剛度則通過Piezo1 介導(dǎo)的鈣信號誘導(dǎo)其分化為聽覺毛細胞。

除了整合素和Piezo1 的作用,新興的剛度感知機制也逐漸引起了科學(xué)家的關(guān)注。Majedi 等[23] 研究發(fā)現(xiàn),基質(zhì)剛度通過調(diào)控代謝程序影響T 細胞激活。Liu 等[24] 研究表明,高基質(zhì)剛度激活腫瘤干細胞的TAZ,促進其與NANOG 相分離,提高干細胞轉(zhuǎn)錄因子(SOX2 和OCT4)的表達,從而增強耐藥性。Feng 等[25] 綜述了一種新發(fā)現(xiàn)的細胞黏附分子———炭疽毒素受體1(ANTXR1),它能獨立于整合素響應(yīng)基質(zhì)剛度,調(diào)控細胞黏附、遷移和分泌等行為。

通過這些研究,越來越多的證據(jù)表明基質(zhì)剛度在細胞行為調(diào)控中具有重要作用,而整合素、Piezo1以及其他新興機制為我們提供了更多理解細胞力學(xué)的切入點。這不僅加深了我們對細胞感知外界力學(xué)信號的機制的認識,也為相關(guān)的疾病治療和組織工程提供了潛在的干預(yù)靶點。

1. 2. 2　細胞對幾何約束的感知　除了基質(zhì)剛度外,固體材料的幾何約束(如微圖案化或三維限制)也能通過改變細胞形狀和分布,進一步調(diào)控細胞行為。這一現(xiàn)象在多個生物過程中具有重要意義,尤其是在上皮細胞的縫隙閉合中,這是胚胎發(fā)育、組織修復(fù)和傷口愈合的關(guān)鍵過程。然而,縫隙邊緣的曲率和寬度對這一過程的具體影響尚未明確。Xu 等[26] 通過設(shè)計不同寬度的直線和波狀微圖案化基底,研究了這些幾何特征對MDCK 細胞重新上皮化的影響。結(jié)果顯示,直線條紋很少誘導(dǎo)細胞垂直于傷口前緣遷移,而波狀條紋則引發(fā)了細胞的渦流運動,加速了跨縫隙橋的形成,顯著提高了傷口愈合速度(見圖3)。

圖3　上皮細胞在不同黏附圖案上愈合過程[26

在腸道類器官生成過程中,腸道類球體模擬了胚胎發(fā)育中腸管形成的重要階段,顯示出基礎(chǔ)研究和臨床轉(zhuǎn)化的潛力。對此,Lin 等[27] 開發(fā)了一種微圖案化腸道類球體生成系統(tǒng)(μGSG),通過控制人多能干細胞群的大小和形狀,顯著改善了腸道類球體生成效果,特別是在模仿腸管不同區(qū)域的形態(tài)發(fā)生上。

在干細胞研究領(lǐng)域,牙髓干細胞(dental pulpstem cells, DPSCs)作為潛力巨大的臨床干細胞療法工具,在長期體外培養(yǎng)中常自發(fā)喪失多向分化能力。針對這一問題,Li 等[28] 設(shè)計了一種微圖案化系統(tǒng),通過控制細胞的長寬比,重塑細胞骨架和細胞核形態(tài),使線粒體保持未成熟狀態(tài),并抑制YAP 入核,從而增強了DPSCs 的干性和再生潛力。這一系統(tǒng)為未來干細胞療法提供了新的思路。

細菌感染宿主細胞的過程也受到力學(xué)微環(huán)境的影響。Feng 等[29] 通過微圖案化方法,將單層宿主細胞約束在固定大小的區(qū)域內(nèi),發(fā)現(xiàn)細菌更傾向于附著在靠近受限單層外緣的細胞上,并且這一現(xiàn)象受基質(zhì)剛度調(diào)控。這可能是由于邊緣處膠原IV表達更高所致,抑制膠原IV 能夠有效減少細菌黏附。

腫瘤細胞在受限空間中的運動是癌癥轉(zhuǎn)移中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。Wang 等[30] 開發(fā)了一種模擬體內(nèi)微米級受限空間的細胞擠壓系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)細胞通過核纖層蛋白(Lamin A/ C)和波形蛋白形成正反饋回路,調(diào)控細胞核的形變能力,從而促進變形蟲式遷移(amoeboid migration)。

1. 3　細胞對流體剪切力和靜水壓力的感知行為

　　除了黏附于組織中的細胞,某些細胞(如內(nèi)皮細胞、循環(huán)腫瘤細胞、血液細胞、淋巴細胞)生活在液體環(huán)境中,在此情況下,流體剪切力和靜水壓對細胞的調(diào)控作用尤為顯著。

血管內(nèi)皮細胞長期暴露于血液流動產(chǎn)生的流體剪切力中,其流動模式(層流或湍流)能夠調(diào)控促炎因子的表達,從而決定內(nèi)皮細胞是否呈現(xiàn)易動脈粥樣硬化或抗動脈粥樣硬化的表型[31] 。Liu 等[32]研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)皮細胞的盤樣結(jié)構(gòu)域受體1(DDR1)在這一過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。流體剪切力能夠改變DDR1 的構(gòu)象,使其與YWHAE 形成液態(tài)生物分子凝聚體,抑制YAP 的磷酸化并促進其入核,最終推動動脈粥樣硬化的發(fā)生(見圖4)。為進一步理解血管內(nèi)皮細胞對不同剪切力的響應(yīng)機制,Ma 等[33] 建立了一個三維力學(xué)耦合模型,整合了流體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細胞骨架組裝、細胞核力傳遞和YAP 運輸?shù)冗^程,揭示了在病理性湍流作用下,肌動蛋白帽的減少、細胞核軟化和YAP 入核的力學(xué)生物學(xué)機制。

圖4　血流剪切力通過DDR1 調(diào)控內(nèi)皮細胞功能障礙[32]

在腫瘤轉(zhuǎn)移過程中,循環(huán)腫瘤細胞進入血液后需要重新黏附于血管內(nèi)皮,進而侵入目標(biāo)組織。Zhang 等[34] 建立了一個體外模型,模擬血液剪切力對循環(huán)腫瘤細胞與腦內(nèi)皮黏附的影響。結(jié)果表明,血液剪切力篩選出了那些能夠穩(wěn)定黏附于腦內(nèi)皮的循環(huán)腫瘤細胞,這些細胞高度表達與腦轉(zhuǎn)移相關(guān)的分子標(biāo)志物(如MUC1、VCAM1、VLA-4),表現(xiàn)出更強的腦轉(zhuǎn)移潛能。

靜水壓對細胞的影響對于理解高血壓和骨關(guān)節(jié)炎等疾病至關(guān)重要。Xu 等[35] 設(shè)計了一種小型裝置,用于在細胞培養(yǎng)過程中施加恒定或循環(huán)靜水壓。該研究發(fā)現(xiàn),高靜水壓下,內(nèi)皮細胞的細胞核形態(tài)更加立體,核纖層蛋白(Lamin A/ C)聚集于細胞核邊緣,線粒體融合增加,細胞活性顯著提升。

1. 4　細胞對動態(tài)力學(xué)環(huán)境的感知

　　在體內(nèi),細胞所處的微環(huán)境并非靜態(tài)的彈性固體或穩(wěn)定流體,而是隨時間動態(tài)變化的。細胞行為受到多重因素的綜合調(diào)控,包括細胞與周圍環(huán)境的力學(xué)相互作用、基質(zhì)的黏彈性或塑性、外力施加的力學(xué)拉伸以及動態(tài)的黏附過程等。

在癌癥侵襲過程中,上皮細胞和癌細胞之間的力學(xué)相互作用尤為關(guān)鍵。Guan 等[36] 通過構(gòu)建體外模型發(fā)現(xiàn),上皮細胞通過力學(xué)作用自發(fā)隔離并包圍癌細胞團,激活p53 凋亡信號通路,從而抑制癌細胞的存活。這一過程中,E-鈣黏素和P-鈣黏素分別調(diào)控細胞界面的幾何形狀和力學(xué)完整性,確保癌細胞被有效隔離。

在血管生成過程中,內(nèi)皮細胞的出芽伴隨著基質(zhì)塑性形變。Wei 等[37] 通過動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)水凝膠模擬塑性可調(diào)的基質(zhì),發(fā)現(xiàn)高塑性基質(zhì)促進內(nèi)皮細胞黏著斑的穩(wěn)定形成,進而激活黏著斑激酶,削弱鈣黏素的表達,最終促進血管生成。

在血管修復(fù)過程中,血管細胞受到血管壁循環(huán)拉伸的調(diào)控。Han 等[38] 研究發(fā)現(xiàn),生理范圍內(nèi)的循環(huán)拉伸可以通過上調(diào)Acsl1 增強內(nèi)皮祖細胞的線粒體脂肪酸代謝,促進其對血管的黏附和分化,加快血管修復(fù)。在另一項研究中,該研究團隊通過不同幅度的循環(huán)拉伸作用于血管平滑肌細胞,模擬正常血壓和高血壓條件[39] 。結(jié)果表明,在高血壓背景下,高幅度的循環(huán)拉伸通過抑制PGC1α 蛋白,顯著下調(diào)檸檬酸合酶和線粒體DNA,導(dǎo)致血管平滑肌細胞線粒體功能障礙。

此外,細胞與基質(zhì)之間的黏附是一個動態(tài)循環(huán)的過程。Zhang 等[40] 開發(fā)了一個基于DNA 的整合素黏附動態(tài)調(diào)控平臺,發(fā)現(xiàn)通過循環(huán)調(diào)控黏附,能夠增強間充質(zhì)干細胞的肌動蛋白組裝和力信號傳導(dǎo)。通過建立基于分子離合器的細胞骨架重塑動力學(xué)模型,該研究揭示了整合素介導(dǎo)的循環(huán)黏附如何通過調(diào)控肌動蛋白絲的組裝來調(diào)節(jié)下游力學(xué)信號通路的機制(見圖5)。

圖5　DNA 驅(qū)動的循環(huán)整合素黏附策略和基于分子離合器的骨架重塑動力學(xué)模型[40]

1. 5　先進細胞力學(xué)測量技術(shù)

　　盡管我們對細胞的力學(xué)性能及其力學(xué)微環(huán)境已有相當(dāng)?shù)牧私?但常用的細胞力學(xué)測量方法(如微柱陣列、牽張力顯微鏡和原子力顯微鏡等)在空間分辨率、力學(xué)靈敏度、活細胞成像、測量通量及多尺度分析方面仍存在諸多局限。為克服這些不足,新的技術(shù)不斷涌現(xiàn),推動了對細胞力學(xué)的更深入認知。

例如,Wang 等[41] 開發(fā)了一種基于DNA 的分子牽張力顯微鏡,利用DNA 發(fā)卡結(jié)構(gòu)在超過特定張力閾值下可逆打開的特性,檢測單分子水平pN量級張力(見圖6)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),成纖維細胞對基質(zhì)剛度的響應(yīng)并非通過超載已有的整合素-配體鍵,而是通過增加整合素的招募和加速整合素與配體結(jié)合的頻率,促進黏著斑的成熟。結(jié)合單細胞微圖案化技術(shù),該研究團隊還發(fā)現(xiàn)細胞膜的曲率影響?zhàn)ぶ叱叽?進而改變高張力整合素的密度和空間分布[42] 。

圖6　基于DNA 的分子牽張力顯微鏡技術(shù)[41]

其他測量細胞力的方法也不斷創(chuàng)新。Mohagheghian 等[43] 構(gòu)建了一種可控的磁性微型機器人探針,能夠?qū)崟r量化三維培養(yǎng)細胞的收縮力。Li 等[44] 開發(fā)了一種光子晶體細胞力顯微鏡,能夠在寬視野下高速成像細胞的垂直力。Ho 等[45] 則開發(fā)了一個雙靶向熒光探針,能夠同時靶向細胞膜和線粒體,用于測量兩者的膜張力。

Hu 等[46] 對多種細胞力學(xué)測量技術(shù)進行了詳細綜述,展示了這些創(chuàng)新工具在提升細胞力學(xué)研究精度和效率方面的巨大潛力。這些技術(shù)的進步推動了我們在細胞生物學(xué)及其力學(xué)微環(huán)境中的新發(fā)現(xiàn)。

1. 6　細胞力學(xué)模型

　　作為與實驗研究互補的手段,力學(xué)模型在細胞力學(xué)的發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用。其優(yōu)勢在于避免了復(fù)雜、重復(fù)且耗時的實驗操作,并能從有限的實驗數(shù)據(jù)中提煉出跨時空尺度的連續(xù)理論框架,為揭示實驗現(xiàn)象背后的機制、預(yù)測新現(xiàn)象、指導(dǎo)后續(xù)實驗提供了強有力的工具[47] 。

在許多生物過程中(如細胞遷移、組織再生、器官發(fā)育、癌癥轉(zhuǎn)移和形態(tài)發(fā)生),細胞和組織經(jīng)歷顯著的塑性變形。與傳統(tǒng)的唯象模型不同,Sun 等[48]提出了一種基于機制的細胞和組織塑性理論,考慮了細胞主動收縮力和內(nèi)吞囊泡形成等關(guān)鍵過程。該理論揭示,分子尺度上的肌球蛋白收縮和內(nèi)吞囊泡形成通過力學(xué)-化學(xué)反饋,觸發(fā)鄰近細胞的主動收縮和塑性變形,最終導(dǎo)致塑性變形波以恒定速度在單層細胞中傳播。這一理論為跨尺度的細胞塑性變形行為提供了有力的解釋(見圖7)。

圖7　跨尺度細胞塑性力學(xué)模型[48]

在癌癥侵襲和免疫反應(yīng)過程中,細胞通過適應(yīng)前端障礙物進行遷移。Chen 等[49] 提出了時空“阻力適應(yīng)推進"理論,描述了細胞通過阻力觸發(fā)的微絲彎曲與微絲-Arp2/3 結(jié)合的反饋機制,調(diào)節(jié)推進力,從而克服或繞過障礙物。這一理論為預(yù)測復(fù)雜細胞外基質(zhì)中的細胞遷移行為提供了理論工具。

在疾病的發(fā)生和發(fā)展中,評估組織力學(xué)性能的變化對疾病的診斷和預(yù)后評估至關(guān)重要。Chang等[50-51] 提出了自相似理論模型,概括了肝臟和心臟在不同尺度下的黏彈性行為,發(fā)現(xiàn)它們表現(xiàn)出普遍的兩階段冪律流變特性。隨著疾病進展,黏彈性多尺度力學(xué)指標(biāo)(如冪律指數(shù)和彈性剛度)及其分布特征發(fā)生變化,這些指標(biāo)有望成為新的疾病診斷和預(yù)后評估依據(jù)。

其他力學(xué)模型在細胞力學(xué)研究中也取得了顯著進展。例如,Li 等[52] 提出的單層細胞壓痕力學(xué)模型揭示了細胞密度和細胞間相互作用對上皮組織力學(xué)性能的顯著影響。在細胞響應(yīng)外界力學(xué)環(huán)境方面,Cheng 等[53] 構(gòu)建了一個涵蓋整合素黏附、骨架收縮、細胞核形變及YAP 核定位的力學(xué)模型,揭示了細胞對不同外基質(zhì)力學(xué)特性(如剛度、黏性、黏彈性等)的響應(yīng)機制;Yu 等[54] 建立了骨單位多孔彈性有限元模型,研究了在不同載荷下骨細胞取向?qū)?/span>骨液流動的影響,為理解衰老和骨疾病中的骨細胞方向變化提供了理論依據(jù);Cheng 等[55] 通過一個理論模型描述了三維受限空間中多級紡錘體的形成過程,揭示了癌細胞染色體不穩(wěn)定性產(chǎn)生的機制。

在描述細胞遷移行為方面,Yang 等[56] 提出了一個持續(xù)隨機行走理論,統(tǒng)一了細胞正負趨硬行為的產(chǎn)生機制;Xu 等[57] 通過有限元模型分析了周期性拉伸對傷口愈合的影響,指出拉伸幅度和方向?qū)?/span>愈合速度和模式具有顯著作用;Wang 等[58] 的主動頂點模型綜合了相鄰細胞間的力學(xué)相互作用及細胞內(nèi)部力學(xué)過程,揭示了在相同幾何約束下,不同類型細胞運動模式差異的力學(xué)機制;Zhang 等[59] 則在經(jīng)典馬達-離合器模型的基礎(chǔ)上,整合了多層力-化學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程,模擬了中性粒細胞在基質(zhì)上的趨化遷移行為,揭示了中性粒細胞遷移過程中尾跡形成的機制。

2　總結(jié)與展望

　　2023 年的研究進一步深化了細胞力學(xué)在疾病進展、組織修復(fù)等生物過程中的關(guān)鍵作用,特別是在跨尺度力學(xué)行為的解析上取得了新的認識。先進的力學(xué)測量技術(shù)推動了精確的細胞力學(xué)研究,而力學(xué)模型為揭示細胞在復(fù)雜環(huán)境中的行為機制提供了有力支持。未來,細胞力學(xué)研究有望在再生醫(yī)學(xué)、癌癥治療等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更廣泛的應(yīng)用,跨學(xué)科合作也將加速這一領(lǐng)域的突破性進展。