細(xì)胞與機(jī)械力的作用 3116037001

細(xì)胞對機(jī)械力的研究分析匯報人：秦靖學(xué)號：3116037001

機(jī)械力是生命賴以存活的環(huán)境因素之一，對人的生長發(fā)育和疾病都會起到重要的作用。機(jī)械力在生物界普遍存在，生物體無論動物，植物還是微生物，時刻處于各種機(jī)械力的作用下，在外部，生物體受到重力，空氣壓力，液體壓力，聲波刺激等力的作用，在內(nèi)部，則存在肢體運動和細(xì)胞生長產(chǎn)生的局部應(yīng)力，心臟和肺等器官收縮運動產(chǎn)生的壓力，體液的流動產(chǎn)生的剪切力，壓力和周向力等等，在受力的對象上，大至器官小至細(xì)胞，這些力影響并調(diào)節(jié)生物體的生長，發(fā)育，生理功能，甚至基因的表達(dá)和調(diào)控。背景：研究機(jī)械力對生物體的作用，無論在理論上還是應(yīng)用上都有相當(dāng)?shù)囊饬x。在理論上力信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)及其機(jī)制是一個不同于傳統(tǒng)生化信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的領(lǐng)域。在應(yīng)用上，研究力對生物體的作用對于研究心腦血管疾病,如動脈粥狀硬化,血栓等等的成因和臨床上的預(yù)防及治療有很好的指導(dǎo)作用。因為細(xì)胞構(gòu)成組織和器官，同時又由生物大分子構(gòu)成，因此力對細(xì)胞的作用是力對組織和器官作用的基礎(chǔ)，同時也是進(jìn)一步研究力對生物大分子作用的起點。機(jī)械力對細(xì)胞的影響1對細(xì)胞施加機(jī)械力的方法2機(jī)械力對細(xì)胞影響的機(jī)理研究3CELL:T細(xì)胞利用機(jī)械力增強(qiáng)其殺傷能力4目錄CONTENTS1機(jī)械力對細(xì)胞的影響1.1機(jī)械力對成骨細(xì)胞的影響

正常骨組織改建、骨折的修復(fù)、正畸牙移動以及牽張成骨等都離不開機(jī)械力學(xué)刺激,而生理狀態(tài)的周期性機(jī)械力刺激是骨組織新生的基礎(chǔ)。在體內(nèi)，成骨細(xì)胞受到力學(xué)信號的種類不同，各種力之間相互偶聯(lián)。

（一）流體剪切力

在生物體內(nèi)，流體剪切應(yīng)力通過多種交互和相互競爭的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑刺激人類成骨細(xì)胞增殖和分化。流體剪切力主要由骨小管內(nèi)體液對管壁上附著的成骨細(xì)胞膜的作用產(chǎn)生。當(dāng)機(jī)體運動的時候，肌肉的牽拉會使骨的表面發(fā)生微小的變化，這些微小的變化會導(dǎo)致骨小管內(nèi)的液體發(fā)生相對流動，對成骨細(xì)胞產(chǎn)生流動剪切力。（一）流體剪切力

成骨細(xì)胞的增殖和分化與流體剪切力的刺激有密不可分的聯(lián)系，較低強(qiáng)度的流體剪切力對成骨細(xì)胞的影響并不大，較高強(qiáng)度的流體剪切力會抑制細(xì)胞的增殖。流體剪切力還能改變細(xì)胞的形態(tài)。1.2Pa的流動剪切力作用1h后，成骨細(xì)胞沿流動方向一致被拉長，去除流體剪切力培養(yǎng)24h后，細(xì)胞又恢復(fù)原來的形態(tài)結(jié)構(gòu)。1.9Pa的流體剪切力作用1h后，細(xì)胞發(fā)生皺縮，隨后出現(xiàn)脫落，生物活性消失。去除剪切力培養(yǎng)24h后，細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)均未恢復(fù)原來的狀態(tài)。（一）流體剪切力

在研究流體剪切力促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖機(jī)制中發(fā)現(xiàn)在6、12、18dyn/cm2這3種不同強(qiáng)度的流體剪切力的作用下，12dyn/cm2為最佳的剪切力強(qiáng)度，可明顯的促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化。通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)流體剪切力能改變,成骨細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)，影響細(xì)胞的增殖和分化。（二）離心力

離心力是利用離心機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的一種慣性力，這種力與重力相似，可以用來研究成骨細(xì)胞在不同重力環(huán)境下的增殖和分化。4~30g離心力對應(yīng)于生理水平的40~300微應(yīng)變，比如散步和跑步等運動。（二）離心力5g的超重力作用能促進(jìn)DNA的合成，效率達(dá)150%。

在較低水平離心力（1.5~2.0g）刺激下能促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖，而當(dāng)細(xì)胞在高水平離心力（40~80g）作用下時，細(xì)胞的生長和分化將受到抑制表明：在較低離心力作用下，細(xì)胞處于失重狀態(tài)，細(xì)胞的生物學(xué)活性下降。在較高的離心力作用下，細(xì)胞處于超重狀態(tài)，細(xì)胞的生物學(xué)活性升高。而超出生理應(yīng)變的離心力也將抑制成骨細(xì)胞的生物學(xué)活性。（三）機(jī)械壓力

作用于成骨細(xì)胞的機(jī)械壓力可分為動態(tài)壓力和靜態(tài)壓力。（三）機(jī)械壓力成骨細(xì)胞加載2atm的持續(xù)性靜態(tài)壓力后，細(xì)胞的生長較對照組緩慢，但作用1d后，細(xì)胞的骨鈣素分泌明顯增多，細(xì)胞的分化受到促進(jìn)。成骨細(xì)胞施加動態(tài)壓力（0.098MPa，15min加壓，15min不加壓，每天加壓8h）時發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞的數(shù)量增加并且分化加快通過眾多的研究可以知道無論是靜態(tài)壓力還是動態(tài)壓力，在生理范圍內(nèi)均能促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化。

（四）機(jī)械張力

機(jī)械張力是影響骨增殖和吸收的一個重要因素。

在機(jī)體內(nèi)，骨組織受到的多種牽張力會使成骨細(xì)胞發(fā)生應(yīng)變，成骨細(xì)胞的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化并分泌相應(yīng)的物質(zhì)。在日常生活中，牽張力隨時刺激著骨組織，比如運動時肌肉對骨的牽拉均會產(chǎn)生機(jī)械張力。（四）機(jī)械張力連續(xù)6h的拉伸應(yīng)變可顯著增加BMP-2和Runx2基因的表達(dá)，并抑制OCNmRNA的表達(dá)。大小適宜的機(jī)械張力可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化。分別給成骨細(xì)胞加載12%的拉伸應(yīng)變率，機(jī)械張力明顯的促進(jìn)了細(xì)胞的增殖和ALP的活性。給成骨細(xì)胞每天加載30min的牽張力時，細(xì)胞的增殖提高10%~48%，但ALP和骨鈣素的分泌明顯降低。機(jī)械張力的大小、時間、頻率均影響著成骨細(xì)胞的增殖分化，（五）機(jī)械振動

機(jī)械振動是一種常用來治療骨質(zhì)疏松癥的物理方法，目前運用已相當(dāng)廣泛。在體外可以控制振動的強(qiáng)度和頻率達(dá)到不同的治療效果。（五）機(jī)械振動

高頻率、低強(qiáng)度的機(jī)械振動能促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化分別給牙周干細(xì)胞加載40、50、60、70、80、90Hz的振動時，當(dāng)頻率為50Hz時，堿性磷酸酶的活性和骨鈣素的分泌達(dá)到峰值，并且在40Hz和50Hz下Col-I、Runx2和Osterix的水平顯著增加。在微重力環(huán)境下，加載一定頻率的振動力可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化，90Hz和5~90Hz變頻振動在微重力環(huán)境下可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖，45Hz和5~90Hz變頻振動能保護(hù)成骨細(xì)胞的分化功能。不同大小的頻率對成骨細(xì)胞周期、增殖和分化會產(chǎn)生不同的影響。適當(dāng)?shù)臋C(jī)械振動可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化，從而達(dá)到預(yù)防骨折和治療骨質(zhì)疏松等作用。2.機(jī)械力對其他細(xì)胞的影響機(jī)械力對血管內(nèi)皮細(xì)胞生理功能的影響是多方面的。在應(yīng)用流體剪切力后，培養(yǎng)的VECs在流動方向上表現(xiàn)出明顯的排布和伸長。靜水壓力可直接導(dǎo)致VECs纖溶功能下降。適度的壓力可促進(jìn)VECs的生長，減緩其調(diào)亡。給胚胎干細(xì)胞施加一個微小的機(jī)械力，能引起胚胎干細(xì)胞強(qiáng)烈的生物學(xué)反應(yīng)，并引導(dǎo)其向特殊的方向分化，這提示局部微小機(jī)械力對柔軟胚胎的早期發(fā)展有非常重要的作用。

2機(jī)械力對細(xì)胞影響的機(jī)理研究1.激活離子通道作為機(jī)械力受體的膜結(jié)構(gòu)主要包括離子通道，G-蛋白連接受體，酪脂酸激酶及整合素族等，離子通道與G-蛋白連接受體經(jīng)機(jī)械力激活后的改變則涉及細(xì)胞內(nèi)Ga2+的水平的變化，Ga2+作為細(xì)胞內(nèi)的第二信使在信號傳導(dǎo)中有極其重要的作用，同時，Ga2+又是許多關(guān)鍵酶發(fā)揮活性之必需，故Ga2+在細(xì)胞感受機(jī)械力并引起自身形態(tài)與功能變化中可能發(fā)揮了相當(dāng)?shù)淖饔谩?.對細(xì)胞膜上蛋白分子的作用細(xì)胞膜上分布著各種膜蛋白,其中的部分蛋白被認(rèn)為能被機(jī)械力激活或者傳遞機(jī)械力進(jìn)入細(xì)胞!目前整聯(lián)蛋白被認(rèn)為是一種最可能的力信號感受器,機(jī)械力對整聯(lián)蛋白的作用可激發(fā)與整聯(lián)蛋白相連的下游信號分子的激活并進(jìn)一步將力傳入細(xì)胞,但目前對于該過程中整聯(lián)蛋白轉(zhuǎn)導(dǎo)力信號的機(jī)制尚未清楚,且細(xì)胞膜上是否存在其它力信號感受器也有待研究!3.對細(xì)胞骨架的作用細(xì)胞骨架是細(xì)胞中重要的組成部分,其三種結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),微絲,微管,中間絲各成系統(tǒng),對機(jī)械力主要起響應(yīng)的結(jié)構(gòu)是微絲,是由雙股F-actin螺旋式組成的，而微絲與細(xì)胞質(zhì)膜上的蛋白質(zhì)脂分子相互連接而成為細(xì)胞運動,細(xì)胞形態(tài)和跨膜信息傳遞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),所以微絲的改變將會影響細(xì)胞生理功能。4.細(xì)胞核新發(fā)現(xiàn)認(rèn)為細(xì)胞核自身可作為一種機(jī)械感受器直接控制基因轉(zhuǎn)錄。細(xì)胞核的力學(xué)性能受粘著斑及細(xì)胞骨架影響。機(jī)械力作用下，細(xì)胞內(nèi)的變形可改變核內(nèi)染色體構(gòu)象，使細(xì)胞核體積明顯改變，細(xì)胞核表面積與基因表達(dá)息息相關(guān)，改變信號通路。對細(xì)胞施加機(jī)械力作用的實驗方法31.微管吮吸法

利用壓力差產(chǎn)生的吸引力測量細(xì)胞膜的彈性。基本方法為測定吸入單位長度的細(xì)胞所需的負(fù)壓值，測定恒定負(fù)壓值下吸入的細(xì)胞長度，測定吸入整個細(xì)胞所需的負(fù)壓值。2.周期性拉伸基底法利用細(xì)胞在培養(yǎng)時的貼壁性，將細(xì)胞在可延伸的基底上培養(yǎng)，然后周期性地拉伸基底，從而對細(xì)胞產(chǎn)生周期性的拉伸力。3.流體剪切力加載裝置平行平板流動式是常用的一種流體剪切力加載裝置，該裝置是一個高度遠(yuǎn)小于橫向?qū)挾群涂v向長度的扁平流動腔室，由不同高度的靜水壓提供恒定的剪切力，或由激活泵提供瞬態(tài)剪切力使流入管和流出管之間產(chǎn)生壓差，使流動室內(nèi)的細(xì)胞受到均勻或脈沖的剪切力作用。4.空氣液體傳導(dǎo)靜壓力加載裝置將細(xì)胞培養(yǎng)器皿放置于一個密閉的環(huán)境中，通過以下方法進(jìn)行加載:抽真空產(chǎn)生負(fù)壓使培養(yǎng)室內(nèi)的細(xì)胞受壓，向密閉的培養(yǎng)室內(nèi)注入二氧化碳和空氣使培養(yǎng)室內(nèi)的細(xì)胞受壓;水柱產(chǎn)生的靜水壓力作用于培養(yǎng)室內(nèi)的細(xì)胞。5.雙軸力學(xué)應(yīng)變系統(tǒng)該系統(tǒng)由培養(yǎng)小室，壓力腔，液壓加載及控制系統(tǒng)組成，培養(yǎng)小室的底部為醫(yī)用硅橡膠薄膜的有機(jī)玻璃，內(nèi)徑為30mm,高度為20mm，該系統(tǒng)可同時對多個培養(yǎng)小室進(jìn)行力學(xué)加載，可調(diào)節(jié)加載幅值，頻率，周期和作用時間。Flexflow平行板流室系統(tǒng)

STR-4000細(xì)胞流體切應(yīng)力系統(tǒng)4CELL:T細(xì)胞利用機(jī)械力增強(qiáng)其殺傷能力CytotoxicTCellsUseMechanicalForcetoPotentiateTargetCellKilling

DOI:DOI:/10.1016/j.cell.2016.01.021細(xì)胞與細(xì)胞之間會通過粘性接觸后，進(jìn)行動態(tài)地信號交換等相互作用（包括生物化學(xué)信號和生物物理信號等）。在這些細(xì)胞結(jié)合的突觸上。一些微米級的細(xì)胞化學(xué)反應(yīng)和細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞骨架運動都會打破細(xì)胞張力等機(jī)械力的平衡。細(xì)胞可以利用這個施加的力來感應(yīng)其所處的環(huán)境中的物理特性，并將這種物理信號轉(zhuǎn)導(dǎo)成細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)信號，這個過程被稱之為機(jī)械信號傳導(dǎo)。這種機(jī)械力已被證明對T/B等淋巴細(xì)胞的激活和分化起著關(guān)鍵作用。揭示關(guān)于細(xì)胞毒性T細(xì)胞利用機(jī)械力來增強(qiáng)其對靶細(xì)胞的殺傷能力的分子機(jī)理。細(xì)胞毒性T細(xì)胞與靶細(xì)胞形成免疫突觸后，T細(xì)胞會通過機(jī)械力促進(jìn)細(xì)胞骨架蛋白的重排改變細(xì)胞膜的張力。來自T細(xì)胞膜的張力會增強(qiáng)由細(xì)胞毒性T細(xì)胞釋放的穿孔素在靶細(xì)胞膜上成熟，最后將靶細(xì)胞溶解破壞掉。測量垂直力：測量平面力：力作用下來表現(xiàn)為目標(biāo)靶細(xì)胞的張力增加。T細(xì)胞殺死靶細(xì)胞通過穿孔素裂解細(xì)胞細(xì)胞張力增強(qiáng)提高了孔的形成，認(rèn)為突觸力可通過對靶細(xì)胞施加張力來加強(qiáng)穿孔素孔形成。為了探索細(xì)胞張力和穿孔