[科普中国]-细胞力学

细胞力学（cell mechanics）是生物力学的一个前沿领域，也是组织工程学的一个重要组成部分。它涉及细胞在力学载荷作用下细胞膜、细胞骨架的变形、弹性常数、粘弹性、粘附力等力学性能的研究，以及力学因素对细胞生长、发育、成熟、增殖、衰老和死亡等的影响及其机制研究。细胞力学关注人体各类细胞，尤其是与血液循环系统、人体支撑运动系统、消化系统等有关的细胞。

细胞力学的结构基础在细胞力学模型研究中，通常把细胞看成是由一层膜包裹着的流变体；细胞膜厚度约为4~5 nm，使细胞内部与环境隔开。细胞膜是一层由带双链的类脂和蛋白质组成的脂双层膜，可随意变成各种形状，相当于二维流质。

细胞膜的受力和变形对膜的功能和结构有直接影响。此外，细胞与细胞间的连接也是相邻的细胞膜特殊生化过程形成的连接装置。在细胞内部，存在着极其复杂的蛋白质纤维的网络结构系统——细胞骨架，它包括微管、微丝和中间纤维；这一细胞骨架网络系统使得细胞具有主动变形和抵抗被动变形的能力。

细胞接受力学刺激的关键在于细胞结构的完整性，尤其是细胞骨架的张力完整性；它可实现机械力在细胞内传递分布并将力学信号最终表现在效应点上。整合素也是细胞表面的力学感受器之一，它能将外力传向细胞骨架的通道，介导细胞与细胞外基质间的黏附。细胞通过与其表面的整合素受体及时响应，以张力整和的形式将力学信号有选择地转换到细胞的不同结构部件，细胞受力刺激后，将刺激转变成相应信号传入胞内，引起一系列应答反应。此外，胞内游离钙离子的浓度调节也是力学信号传递中的关键环节。钙离子的浓度改变主要通过膜上钙通道实现，其中电压操纵性钙通道被认为能直接感应力学信号调节钙离子将胞外的各种信号传递至细胞内，引起细胞内信号的级联反应，进而调节细胞增殖及分化。

细胞力学的研究方法对于细胞力学来讲,其研究的关键是细胞的力学加载方式；所以寻找合适的细胞加载方法和细胞变形及相关的生物学测量手段是细胞力学研究的首要问题。细胞力学实验是在一定条件下对细胞所处生物力学环境的模拟。按照所模拟力的来源不同，通常分为模拟体内力学环境和模拟体外力学环境两大类。模拟体内力学环境的实验方法主要有流动剪切力法、基底拉伸法、静水压法、圆周应力法；模拟体外力学环境的实验方法主要有微重力细胞培养法、离心力场法、气体加压法、声波刺激法、微光束辐照法。此外，研究单细胞力学特性的实验方法主要有微管吸吮法、原子力显微镜悬臂刺激法、磁珠扭转法和光钳法。

参考资料[1] Shaofan Li，Bohua Sun. Advances in cell mechanics. 北京:高等教育出版社, 第1版, 2011.

[2] 陈槐卿. 细胞生物力学与临床应用. 第1版, 郑州:郑州大学出版社, 2012.

[3] 姜宗来，樊瑜波. 生物力学—从基础到前沿. 第1版，北京:科学出版社, 2010.

本词条内容贡献者为:

韩悦 - 博士 - 上海交通大学生命科学与技术学院