摘要:細胞力學研究在近年來迅速發展,揭示了細胞如何通過感知和響應外界力學環境來調節其功能和行為。2023 年,細胞力學領域在理解細胞自身的力學特性、對固體和流體環境的力學感知、在動態力學條件下的適應性方面取得了顯著突破。同時,先進的測量技術和力學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、預防和干預手段提供新的思路。本文綜述了2023 年度華人學者在細胞力學領域的研究進展,探討其在不同生物過程中所展現的力學機制。

關鍵詞: 力學生物學; 細胞力學性能; 力信號轉導; 力學模型

力是生命體的“雕刻師",在幾乎所有的生命活動中發揮著重要作用。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刺激,也不斷通過產生力來響應外界環境的變化。自2005 年認識到大部分細胞都會響應基質剛度以來[1] ,細胞力學在近20 年得到了快速發展,且方興未艾。2023 年度,細胞力學領域在細胞自身的力學性能、對外界力學環境的感知、先進細胞力學測量技術以及細胞力學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、預防和干預手段。本文主要介紹華人學者2023 年度在細胞力學領域的典型工作。想了解更多近幾年關于細胞力學進展的讀者可以參考文獻[2-5]。

1　細胞力學研究進展

1. 1　細胞自身的力學性能

　　細胞作為一種主動收縮的凝膠狀材料(activegel),能夠通過調整自身力學性能適應外界環境。細胞的力學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)、微管和中間纖維構成,連接了細胞膜上的力敏感蛋白和細胞核,是細胞產生和傳導力的主要結構。外界力學刺激通過調控黏附界面影響細胞骨架的力學性能,導致細胞核形變,并改變轉錄因子核定位、染色質可及性和表觀遺傳狀態,從而調控細胞功能[6] 。

在進一步探討細胞力學性能的研究中,細胞剛度和收縮性被認為是組織功能實現的重要力學參數。Wang 等[7] 研究揭示,毛囊干細胞與毛胚祖細胞的力學性能存在顯著差異。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,從而激活毛發再生。

同樣,細胞力學性能的變化也在細胞重編程過程中發揮了重要作用。導入重編程基因(Brn2、Ascl1 和Myt1l) 可將成纖維細胞轉化為神經元。Soto 等[8] 研究發現,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蛋白表達導致剛度上升,而剛度下降則有助于染色質開放,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　誘導成纖維細胞重編程為神經元過程中細胞自身剛度變化[8]

相較于正常細胞,腫瘤細胞的力學性能也發生了顯著改變。惡性腫瘤細胞的剛度降低約70% 。Chen 等[9] 研究發現,干擾微絲相關蛋白(MLDK 和mDia1)可以軟化腫瘤干細胞,促使胞質中的β-連環素從細胞骨架中的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注。Geng 等[10] 研究表明,微管通過負向調節微絲依賴的細胞核內陷,影響染色質重塑和細胞表型變化。破壞微絲骨架引發的核形變和染色質可及性下降可以通過干擾微管得到部分恢復。不僅如此,細胞骨架的主動收縮不僅幫助細胞適應外界環境,還能夠通過重塑細胞外基質進一步改造外界環境。Ouyang 等[11] 設計了一種基于膠原纖維的高通量細胞團簇培養平臺,發現細胞通過主動收縮使外基質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質網鈣通道在力信號傳導中發揮了重要作用。

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

1. 2　細胞對基質剛度和幾何約束的感知行為

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

在這些力敏感蛋白中,整合素是介導細胞-基質黏附的關鍵受體,在感知外界力學環境中扮演重要角色[12] 。細胞通過整合素黏附主動牽拉基質,響應其軟硬程度。Lv 等[13] 研究發現,較軟的基質通過整合素招募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] 研究發現,巨噬細胞通過整合素感知植入物的不同剛度,從而調整收縮力,改變細胞膜曲率、Baiap2 蛋白的分布,導致不同程度的炎癥和纖維化。Zheng 等[15] 研究認為,硫酸鹽轉運蛋白SLC26A2 的缺乏會降低基質硫酸化水平,軟化基質,抑制FAK-YAP / TAZ 通路,導致成骨細胞功能障礙,最終引發骨質疏松。此外,整合素還能響應基質的剛度梯度。Cheng 等[16] 研究顯示,剛度梯度通過YAP 激活調控脊索和神經管的形態發生。Zhang 等[17] 研究表明,高剛度異質性基底通過“荷包縫合"結構促進上皮細胞群體遷移。整合素也能感知基質剛度的動態變化。Chen 等[18] 研究發現,基質硬化通過整合素信號促進間充質干細胞的成骨分化。

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

Piezo1 是典型的力敏感陽離子通道,同樣在細胞對基質剛度的響應中發揮了關鍵作用。其發現者Ardem Patapoutian 因此于2021 年獲諾貝爾獎。高基質剛度能激活Piezo1,導致鈣離子內流并啟動下游信號通路。Yan 等[19] 研究發現,高基質剛度通過Piezo1 激活YAP-pSmad2/3-SOX9 信號軸,促進間充質干細胞向纖維軟骨細胞分化。Zhong 等[20]研究表明,基質剛度激活Piezo1 促使主動脈瓣間質細胞分化為成骨細胞,導致主動脈瓣鈣化。Hu等[21] 研究發現,高剛度的淀粉樣蛋白斑塊通過Piezo1 激活腦膠質細胞以清除自身,從而減輕認知障礙。整合素與Piezo1 常協同作用,Xia 等[22] 研究表明,適當的基質剛度通過整合素/ 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 介導的鈣信號誘導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家的關注。Majedi 等[23] 研究發現,基質剛度通過調控代謝程序影響T 細胞激活。Liu 等[24] 研究表明,高基質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] 綜述了一種新發現的細胞黏附分子———炭疽毒素受體1(ANTXR1),它能獨立于整合素響應基質剛度,調控細胞黏附、遷移和分泌等行為。

通過這些研究,越來越多的證據表明基質剛度在細胞行為調控中具有重要作用,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的切入點。這不僅加深了我們對細胞感知外界力學信號的機制的認識,也為相關的疾病治療和組織工程提供了潛在的干預靶點。

1. 2. 2　細胞對幾何約束的感知　除了基質剛度外,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,進一步調控細胞行為。這一現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,這是胚胎發育、組織修復和傷口愈合的關鍵過程。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。結果顯示,直線條紋很少誘導細胞垂直于傷口前緣遷移,而波狀條紋則引發了細胞的渦流運動,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育中腸管形成的重要階段,顯示出基礎研究和臨床轉化的潛力。對此,Lin 等[27] 開發了一種微圖案化腸道類球體生成系統(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域的形態發生上。

在干細胞研究領域,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,在長期體外培養中常自發喪失多向分化能力。針對這一問題,Li 等[28] 設計了一種微圖案化系統,通過控制細胞的長寬比,重塑細胞骨架和細胞核形態,使線粒體保持未成熟狀態,并抑制YAP 入核,從而增強了DPSCs 的干性和再生潛力。這一系統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微環境的影響。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域內,發現細菌更傾向于附著在靠近受限單層外緣的細胞上,并且這一現象受基質剛度調控。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移中的關鍵環節。Wang 等[30] 開發了一種模擬體內微米級受限空間的細胞擠壓系統,發現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(如內皮細胞、循環腫瘤細胞、血液細胞、淋巴細胞)生活在液體環境中,在此情況下,流體剪切力和靜水壓對細胞的調控作用尤為顯著。

血管內皮細胞長期暴露于血液流動產生的流體剪切力中,其流動模式(層流或湍流)能夠調控促炎因子的表達,從而決定內皮細胞是否呈現易動脈粥樣硬化或抗動脈粥樣硬化的表型[31] 。Liu 等[32]研究發現,內皮細胞的盤樣結構域受體1(DDR1)在這一過程中發揮關鍵作用。流體剪切力能夠改變DDR1 的構象,使其與YWHAE 形成液態生物分子凝聚體,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生(見圖4)。為進一步理解血管內皮細胞對不同剪切力的響應機制,Ma 等[33] 建立了一個三維力學耦合模型,整合了流體信號轉導、細胞骨架組裝、細胞核力傳遞和YAP 運輸等過程,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 入核的力學生物學機制。

圖4　血流剪切力通過DDR1 調控內皮細胞功能障礙[32]

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

靜水壓對細胞的影響對于理解高血壓和骨關節炎等疾病至關重要。Xu 等[35] 設計了一種小型裝置,用于在細胞培養過程中施加恒定或循環靜水壓。該研究發現,高靜水壓下,內皮細胞的細胞核形態更加立體,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　細胞對動態力學環境的感知

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

在癌癥侵襲過程中,上皮細胞和癌細胞之間的力學相互作用尤為關鍵。Guan 等[36] 通過構建體外模型發現,上皮細胞通過力學作用自發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-鈣黏素分別調控細胞界面的幾何形狀和力學完整性,確保癌細胞被有效隔離。

在血管生成過程中,內皮細胞的出芽伴隨著基質塑性形變。Wei 等[37] 通過動態共價網絡水凝膠模擬塑性可調的基質,發現高塑性基質促進內皮細胞黏著斑的穩定形成,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。

在血管修復過程中,血管細胞受到血管壁循環拉伸的調控。Han 等[38] 研究發現,生理范圍內的循環拉伸可以通過上調Acsl1 增強內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。在另一項研究中,該研究團隊通過不同幅度的循環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] 。結果表明,在高血壓背景下,高幅度的循環拉伸通過抑制PGC1α 蛋白,顯著下調檸檬酸合酶和線粒體DNA,導致血管平滑肌細胞線粒體功能障礙。

此外,細胞與基質之間的黏附是一個動態循環的過程。Zhang 等[40] 開發了一個基于DNA 的整合素黏附動態調控平臺,發現通過循環調控黏附,能夠增強間充質干細胞的肌動蛋白組裝和力信號傳導。通過建立基于分子離合器的細胞骨架重塑動力學模型,該研究揭示了整合素介導的循環黏附如何通過調控肌動蛋白絲的組裝來調節下游力學信號通路的機制(見圖5)。

圖5　DNA 驅動的循環整合素黏附策略和基于分子離合器的骨架重塑動力學模型[40]

1. 5　先進細胞力學測量技術

　　盡管我們對細胞的力學性能及其力學微環境已有相當的了解,但常用的細胞力學測量方法(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,新的技術不斷涌現,推動了對細胞力學的更深入認知。

例如,Wang 等[41] 開發了一種基于DNA 的分子牽張力顯微鏡,利用DNA 發卡結構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)。結果發現,成纖維細胞對基質剛度的響應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合的頻率,促進黏著斑的成熟。結合單細胞微圖案化技術,該研究團隊還發現細胞膜的曲率影響黏著斑尺寸,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[41]

其他測量細胞力的方法也不斷創新。Mohagheghian 等[43] 構建了一種可控的磁性微型機器人探針,能夠實時量化三維培養細胞的收縮力。Li 等[44] 開發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] 對多種細胞力學測量技術進行了詳細綜述,展示了這些創新工具在提升細胞力學研究精度和效率方面的巨大潛力。這些技術的進步推動了我們在細胞生物學及其力學微環境中的新發現。

1. 6　細胞力學模型

　　作為與實驗研究互補的手段,力學模型在細胞力學的發展中發揮著舉足輕重的作用。其優勢在于避免了復雜、重復且耗時的實驗操作,并能從有限的實驗數據中提煉出跨時空尺度的連續理論框架,為揭示實驗現象背后的機制、預測新現象、指導后續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、器官發育、癌癥轉移和形態發生),細胞和組織經歷顯著的塑性變形。與傳統的唯象模型不同,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吞囊泡形成等關鍵過程。該理論揭示,分子尺度上的肌球蛋白收縮和內吞囊泡形成通過力學-化學反饋,觸發鄰近細胞的主動收縮和塑性變形,最終導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模型[48]

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

在疾病的發生和發展中,評估組織力學性能的變化對疾病的診斷和預后評估至關重要。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,發現它們表現出普遍的兩階段冪律流變特性。隨著疾病進展,黏彈性多尺度力學指標(如冪律指數和彈性剛度)及其分布特征發生變化,這些指標有望成為新的疾病診斷和預后評估依據。

其他力學模型在細胞力學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模型揭示了細胞密度和細胞間相互作用對上皮組織力學性能的顯著影響。在細胞響應外界力學環境方面,Cheng 等[53] 構建了一個涵蓋整合素黏附、骨架收縮、細胞核形變及YAP 核定位的力學模型,揭示了細胞對不同外基質力學特性(如剛度、黏性、黏彈性等)的響應機制;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對骨液流動的影響,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;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定性產生的機制。

在描述細胞遷移行為方面,Yang 等[56] 提出了一個持續隨機行走理論,統一了細胞正負趨硬行為的產生機制;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對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相互作用及細胞內部力學過程,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機制;Zhang 等[59] 則在經典馬達-離合器模型的基礎上,整合了多層力-化學轉導過程,模擬了中性粒細胞在基質上的趨化遷移行為,揭示了中性粒細胞遷移過程中尾跡形成的機制。

2　總結與展望

　　2023 年的研究進一步深化了細胞力學在疾病進展、組織修復等生物過程中的關鍵作用,特別是在跨尺度力學行為的解析上取得了新的認識。先進的力學測量技術推動了精確的細胞力學研究,而力學模型為揭示細胞在復雜環境中的行為機制提供了有力支持。未來,細胞力學研究有望在再生醫學、癌癥治療等領域實現更廣泛的應用,跨學科合作也將加速這一領域的突破性進展。