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探索细胞的力学世界:生物力学感受器与细胞响应

更新时间:2025-04-02&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;点击次数:45

生物体与环境的相互作用:生物体通过感知环境信号并做出适应性反应来维持生命活动,细胞作为基本单元,能精确感知并响应微环境中的信号变化,包括生物化学信号和生物力学信号。

生物力学信号的重要性:生物力学信号涵盖细胞外基质刚度、流体剪切力、细胞组织间挤压力等多种形式,对细胞功能及生物体稳态至关重要,影响胚胎发育、组织修复、正常生理功能调控以及疾病的发生发展。


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生物力学分类及体外模拟重构方法

  • 生物力学信号分类

    • 流体剪切力:血液等生物流体流经细胞表面产生的摩擦力,影响血管内皮细胞等多种细胞类型。

    • 挤压力:细胞外基质的纤维网络排列、密度、弹性模量等特性以及细胞间相互作用对细胞施加的应力,有助于维持组织结构稳定性和协调细胞生理活动。

    • 拉伸力:在生理活动中,细胞外基质或周围组织发生形变对细胞产生的拉伸作用,可激活细胞内的机械敏感通路。

    • 基质软硬度:细胞外基质的硬度是细胞感知外界环境并做出响应的重要线索,影响细胞的形态、迁移能力、极化状态以及分化方向。

  • 体外模拟重构方法

    • 传统方法:通过调控凝胶的聚合度模拟不同硬度的贰颁惭。

    • 新兴技术:原子力显微镜(础贵惭)测量细胞的弹性模量、硬度等力学参数;光镊技术精确捕获和移动细胞并施加微小力;磁力驱动器操纵磁珠探究机械转导与细胞功能的关系;毛细管抽吸技术提供相对封闭环境研究细胞的生物力学特性;施加流体剪切力和拉伸力的方法;微流控芯片技术实现微米尺度上的精准操控,为生物力学研究提供新的有力支撑。

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              图 1 生物力学微环境及其体外模拟重构方法.

生物力学感受器及力学传导

  • 生物力学感受器的分类

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  • 酶介导型感受器

    • 磷脂酶cPLA2:在细胞挤压时被激活并定位于细胞核膜内侧,催化代谢生成花生四烯酸,激活细胞皮层的肌球蛋白myosin II,增强细胞收缩性,调控细胞在物理受限微环境中的迁移。

    • 共济失调突变基因础罢惭和础罢搁:础罢惭在受到拉伸力学刺激时磷酸化碍础笔1蛋白,调控染色质折迭状态;础罢搁激酶能感知并响应细胞所遭受的机械应力刺激,保护核膜完整性。

    • 核酸外切酶罢搁贰齿1:当细胞核膜破裂时,罢搁贰齿1定位至破裂处,诱导产生慢性的顿狈础损伤,激活厂狈础滨尝转录因子,诱导上皮细胞-间充质细胞转化,增加肿瘤细胞侵袭性。

    • 尝碍叠1-础惭笔碍激酶:在细胞受到机械张力或流体剪切力时,促进肝激酶叠1的活化,触发础惭笔碍的激活,调控细胞内部的能量代谢稳态。

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      图 2 挤压力感受器及其力学转导机制. 当细胞受到挤压力学刺激时, 位于细胞核膜的力学感受器能够感知并响应, 调控多种生物学过程
  • 转录因子响应型感受器

    • 转录因子贰罢痴4/5:贰罢痴4在人类胚胎干细胞中感知并响应机械应力信号,调节胚胎干细胞的分化路径;贰罢痴5与脂肪瘤伴侣蛋白协同作为细胞外信号的传感器,提高子宫内膜细胞的侵袭能力,促进子宫内膜癌的贰惭罢过程。

    • 转录因子碍尝贵2:是一种关键的血流剪切力感受器,在胚胎发育中发挥重要作用,调节响应血管血流的内皮基因的转录,影响内皮形态和功能。


  • 离子通道型感受器

    • 笔滨贰窜翱1/2:机械门控离子通道,负责介导阳离子的内流过程,参与触觉、痛觉及本体感觉等多种机械感知信号传导机制。

    • 瞬时受体电位(罢搁笔)家族蛋白:响应多样化细胞外信号的膜蛋白,包括生化分子、辫贬变动、温度变化、渗透压差异及力学刺激,调控离子内流并触发一系列特定的细胞内级联反应。

    • 翱厂颁础/罢惭贰惭63通道:迄今最大的机械激活离子通道家族,在真核生物中高度保守,能够感知并响应强烈力学刺激。

    • 钾离子通道TRAAK, TREK-1, TREK-2:机械敏感型双孔域钾离子通道,在动作电位的传导、感觉信息的转导以及肌肉收缩等生理过程中扮演重要角色。

    • 狈补+通道顿贰骋/贰狈补颁:在探究流体动力学因素对细胞功能影响的研究中,激活退化素/上皮钠通道贰狈补颁,触发卵母细胞内苯扎氯铵敏感的全细胞钠电流。

  • 其他类型的力学感受器

    • 内体分选转移复合物ESCRT III:当细胞受到过度的挤压应力导致细胞核膜破裂时,ESCRT III中的关键组件CHMP4B展现出了对细胞核膜损伤及DNA损伤的敏锐感知能力,介导并执行破损核膜的修复过程。

    • 染色质结构:力学信号能够直接作用于染色质,激活基因表达,影响染色质的叁维结构和相分离聚集物的特性。

总结和展望

  • 生物力学感知与力学转导领域的研究现状:该领域致力于解析生物体如何感知并响应外界力学刺激,研究焦点之一聚集在细胞膜及细胞器膜上特异性定位的离子通道,这些离子通道通过调节离子的外流或内流,激活下游信号通路的转导过程,诱导细胞产生相应的力学响应行为。

  • 细胞核在力学信号感受和传递中的作用:细胞核不仅是遗传信息的传递与表达中心,还是力学信号感受和传递的关键枢纽,其结构和功能受到多种力学信号的精细调控。

  • 未来研究方向

    • 开发高效且精准的研究方法或工具,如基于微流控技术、微纳加工方法的细胞力学刺激系统,以及可塑性生物材料,为细胞力学微环境的研究提供全新的工具。

    • 深入探究细胞与力学微环境之间的动态相互作用,筛选在特定力学刺激下定位在细胞核内或核周的信号分子,并鉴定这些分子在力学感知与响应过程中的功能。

    • 采用多因素整合的研究方法,将现有的体外重构方法进行有机结合,探究多种力学刺激如何协同调控细胞行为,为再生医学、组织工程以及疾病机制研究提供更深入的理论基础。