摘要
细胞力学研究在近年来迅速发展,揭示了细胞如何通过感知和响应外界力学环境来调节其功能和行为。2023年,细胞力学领域在理解细胞自身的力学特性、对固体和流体环境的力学感知、在动态力学条件下的适应性方面取得了显著突破。同时,先进的测量技术和力学模型为研究提供了新的工具。这些成果加深了对生理和病理过程的认识,并为疾病的诊断、预防和干预手段提供新的思路。本文综述了2023年度华人学者在细胞力学领域的研究进展,探讨其在不同生物过程中所展现的力学机制。
关键词:
力学生物学
细胞力学性能
力信号转导
力学模型
力是生命体的“雕刻师”,在几乎所有的生命活动中发挥着重要作用。作为生命活动的最小单元,细胞不仅实时感受着外界的力学刺激,也不断通过产生力来响应外界环境的变化。自2005年认识到大部分细胞都会响应基质刚度以来 ,细胞力学在近20年得到了快速发展,且方兴未艾。2023年度,细胞力学领域在细胞自身的力学性能、对外界力学环境的感知、先进细胞力学测量技术以及细胞力学模型等方面都取得重要突破,使得我们对生理病理的变化有了更深入的认识,而这些认识正在不断地改变我们对疾病的认知、预防和干预手段。本文主要介绍华人学者2023年度在细胞力学领域的典型工作。想了解更多近几年关于细胞力学进展的读者可以参考文献[2-5]。
细胞作为一种主动收缩的凝胶状材料(active gel),能够通过调整自身力学性能适应外界环境。细胞的力学性能主要由细胞骨架决定,后者由微丝(肌动蛋白-肌球蛋白丝)、微管和中间纤维构成,连接了细胞膜上的力敏感蛋白和细胞核,是细胞产生和传导力的主要结构。外界力学刺激通过调控黏附界面影响细胞骨架的力学性能,导致细胞核形变,并改变转录因子核定位、染色质可及性和表观遗传状态,从而调控细胞功能 。
在进一步探讨细胞力学性能的研究中,细胞刚度和收缩性被认为是组织功能实现的重要力学参数。Wang等 研究揭示,毛囊干细胞与毛胚祖细胞的力学性能存在显著差异。在毛囊生长激活过程中,毛胚祖细胞软化,骨架收缩力下降,YAP进入细胞核并促使其重新进入细胞周期。通过引入miR-205可降低微丝骨架的收缩性,从而激活毛发再生。
同样,细胞力学性能的变化也在细胞重编程过程中发挥了重要作用。导入重编程基因(Brn2、Ascl1和Myt1l)可将成纤维细胞转化为神经元。Soto等 研究发现,在这一过程中细胞刚度先升后降,Ascl1通过促进肌动蛋白相关蛋白表达导致刚度上升,而刚度下降则有助于染色质开放,提高重编程效率。使用骨架抑制剂、抑制黏着斑激酶或减少细胞黏附均可进一步提升重编程效率(见 图1 )。
图1 诱导成纤维细胞重编程为神经元过程中细胞自身刚度变化
相较于正常细胞,肿瘤细胞的力学性能也发生了显著改变。恶性肿瘤细胞的刚度降低约70%。Chen等 研究发现,干扰微丝相关蛋白(MLDK和mDia1)可以软化肿瘤干细胞,促使胞质中的β-连环素从细胞骨架中的APC蛋白分离,并进入细胞核,激活Wnt通路,增强OCT4基因表达,从而提高自我更新和肿瘤形成能力。
除了微丝在细胞核形变中的作用外,微管在这一过程中的功能也引起了关注。Geng等 研究表明,微管通过负向调节微丝依赖的细胞核内陷,影响染色质重塑和细胞表型变化。破坏微丝骨架引发的核形变和染色质可及性下降可以通过干扰微管得到部分恢复。不仅如此,细胞骨架的主动收缩不仅帮助细胞适应外界环境,还能够通过重塑细胞外基质进一步改造外界环境。Ouyang等 设计了一种基于胶原纤维的高通量细胞团簇培养平台,发现细胞通过主动收缩使外基质中的胶原纤维聚集成束。这一过程中,整合素、Piezo1等力敏感蛋白、细胞骨架的完整性以及内质网钙通道在力信号传导中发挥了重要作用。
通过这些研究,我们逐渐了解到细胞自身力学特性在调节细胞行为及其微环境中的核心作用。这些力学机制不仅有助于理解基本的细胞功能,还为组织再生、肿瘤学和细胞重编程等领域提供了新的研究思路。
1 . 2 . 1 细胞对基质刚度的感知 基质刚度作为一种易于测量且对细胞功能影响显著的力学因素,在生命活动中的作用已受到广泛关注。细胞通过膜上的力敏感蛋白(如整合素、Piezo1)感知基质刚度,并激活下游信号通路(如黏着斑激酶),进而调控转录因子(如YAP/TAZ)的核定位,最终影响细胞行为。
在这些力敏感蛋白中,整合素是介导细胞-基质黏附的关键受体,在感知外界力学环境中扮演重要角色 。细胞通过整合素黏附主动牵拉基质,响应其软硬程度。Lv等 研究发现,较软的基质通过整合素招募RhoGDI,使RhoA失活,降低细胞收缩力并失活YAP,从而诱导肿瘤细胞向更软的肿瘤干细胞去分化(见 图2 )。Ni等 研究发现,巨噬细胞通过整合素感知植入物的不同刚度,从而调整收缩力,改变细胞膜曲率、Baiap2蛋白的分布,导致不同程度的炎症和纤维化。Zheng等 研究认为,硫酸盐转运蛋白SLC26A2的缺乏会降低基质硫酸化水平,软化基质,抑制FAK-YAP/TAZ通路,导致成骨细胞功能障碍,最终引发骨质疏松。此外,整合素还能响应基质的刚度梯度。Cheng等 研究显示,刚度梯度通过YAP激活调控脊索和神经管的形态发生。Zhang等 研究表明,高刚度异质性基底通过“荷包缝合”结构促进上皮细胞群体迁移。整合素也能感知基质刚度的动态变化。Chen等 研究发现,基质硬化通过整合素信号促进间充质干细胞的成骨分化。
图2 软基质条件下细胞通过整合素-RhoA-YAP通路调控癌细胞去分化
Piezo1是典型的力敏感阳离子通道,同样在细胞对基质刚度的响应中发挥了关键作用。其发现者Ardem Patapoutian因此于2021年获诺贝尔奖。高基质刚度能激活Piezo1,导致钙离子内流并启动下游信号通路。Yan等 研究发现,高基质刚度通过Piezo1激活YAP-pSmad2/3-SOX9信号轴,促进间充质干细胞向纤维软骨细胞分化。Zhong等 研究表明,基质刚度激活Piezo1促使主动脉瓣间质细胞分化为成骨细胞,导致主动脉瓣钙化。Hu等 研究发现,高刚度的淀粉样蛋白斑块通过Piezo1激活脑胶质细胞以清除自身,从而减轻认知障碍。整合素与Piezo1常协同作用,Xia等 研究表明,适当的基质刚度通过整合素/微丝骨架/YAP信号轴激活耳蜗祖细胞,而更高的刚度则通过Piezo1介导的钙信号诱导其分化为听觉毛细胞。
除了整合素和Piezo1的作用,新兴的刚度感知机制也逐渐引起了科学家的关注。Majedi等 研究发现,基质刚度通过调控代谢程序影响T细胞激活。Liu等 研究表明,高基质刚度激活肿瘤干细胞的TAZ,促进其与NANOG相分离,提高干细胞转录因子(SOX2和OCT4)的表达,从而增强耐药性。Feng等 综述了一种新发现的细胞黏附分子——炭疽毒素受体1(ANTXR1),它能独立于整合素响应基质刚度,调控细胞黏附、迁移和分泌等行为。
通过这些研究,越来越多的证据表明基质刚度在细胞行为调控中具有重要作用,而整合素、Piezo1以及其他新兴机制为我们提供了更多理解细胞力学的切入点。这不仅加深了我们对细胞感知外界力学信号的机制的认识,也为相关的疾病治疗和组织工程提供了潜在的干预靶点。
1 . 2 . 2 细胞对几何约束的感知 除了基质刚度外,固体材料的几何约束(如微图案化或三维限制)也能通过改变细胞形状和分布,进一步调控细胞行为。这一现象在多个生物过程中具有重要意义,尤其是在上皮细胞的缝隙闭合中,这是胚胎发育、组织修复和伤口愈合的关键过程。然而,缝隙边缘的曲率和宽度对这一过程的具体影响尚未完全明确。Xu等 通过设计不同宽度的直线和波状微图案化基底,研究了这些几何特征对MDCK细胞重新上皮化的影响。结果显示,直线条纹很少诱导细胞垂直于伤口前缘迁移,而波状条纹则引发了细胞的涡流运动,加速了跨缝隙桥的形成,显著提高了伤口愈合速度(见 图3 )。
在肠道类器官生成过程中,肠道类球体模拟了胚胎发育中肠管形成的重要阶段,显示出基础研究和临床转化的潜力。对此,Lin等 开发了一种微图案化肠道类球体生成系统(μGSG),通过控制人多能干细胞群的大小和形状,显著改善了肠道类球体生成效果,特别是在模仿肠管不同区域的形态发生上。
在干细胞研究领域,牙髓干细胞(dental pulp stem cells,DPSCs)作为潜力巨大的临床干细胞疗法工具,在长期体外培养中常自发丧失多向分化能力。针对这一问题,Li等 设计了一种微图案化系统,通过控制细胞的长宽比,重塑细胞骨架和细胞核形态,使线粒体保持未成熟状态,并抑制YAP入核,从而增强了DPSCs的干性和再生潜力。这一系统为未来干细胞疗法提供了新的思路。
细菌感染宿主细胞的过程也受到力学微环境的影响。Feng等 通过微图案化方法,将单层宿主细胞约束在固定大小的区域内,发现细菌更倾向于附着在靠近受限单层外缘的细胞上,并且这一现象受基质刚度调控。这可能是由于边缘处胶原IV表达更高所致,抑制胶原IV能够有效减少细菌黏附。
肿瘤细胞在受限空间中的运动是癌症转移中的关键环节。Wang等 开发了一种模拟体内微米级受限空间的细胞挤压系统,发现细胞通过核纤层蛋白(Lamin A/C)和波形蛋白形成正反馈回路,调控细胞核的形变能力,从而促进变形虫式迁移(amoeboid migration)。
除了黏附于组织中的细胞,某些细胞(如内皮细胞、循环肿瘤细胞、血液细胞、淋巴细胞)生活在液体环境中,在此情况下,流体剪切力和静水压对细胞的调控作用尤为显著。
血管内皮细胞长期暴露于血液流动产生的流体剪切力中,其流动模式(层流或湍流)能够调控促炎因子的表达,从而决定内皮细胞是否呈现易动脉粥样硬化或抗动脉粥样硬化的表型 。Liu等 研究发现,内皮细胞的盘样结构域受体1(DDR1)在这一过程中发挥关键作用。流体剪切力能够改变DDR1的构象,使其与YWHAE形成液态生物分子凝聚体,抑制YAP的磷酸化并促进其入核,最终推动动脉粥样硬化的发生(见 图4 )。为进一步理解血管内皮细胞对不同剪切力的响应机制,Ma等 建立了一个三维力学耦合模型,整合了流体信号转导、细胞骨架组装、细胞核力传递和YAP运输等过程,揭示了在病理性湍流作用下,肌动蛋白帽的减少、细胞核软化和YAP入核的力学生物学机制。
在肿瘤转移过程中,循环肿瘤细胞进入血液后需要重新黏附于血管内皮,进而侵入目标组织。Zhang等 建立了一个体外模型,模拟血液剪切力对循环肿瘤细胞与脑内皮黏附的影响。结果表明,血液剪切力筛选出了那些能够稳定黏附于脑内皮的循环肿瘤细胞,这些细胞高度表达与脑转移相关的分子标志物(如MUC1、VCAM1、VLA-4),表现出更强的脑转移潜能。
静水压对细胞的影响对于理解高血压和骨关节炎等疾病至关重要。Xu等 设计了一种小型装置,用于在细胞培养过程中施加恒定或循环静水压。该研究发现,高静水压下,内皮细胞的细胞核形态更加立体,核纤层蛋白(Lamin A/C)聚集于细胞核边缘,线粒体融合增加,细胞活性显著提升。
在体内,细胞所处的微环境并非静态的弹性固体或稳定流体,而是随时间动态变化的。细胞行为受到多重因素的综合调控,包括细胞与周围环境的力学相互作用、基质的黏弹性或塑性、外力施加的力学拉伸以及动态的黏附过程等。
在癌症侵袭过程中,上皮细胞和癌细胞之间的力学相互作用尤为关键。Guan等 通过构建体外模型发现,上皮细胞通过力学作用自发隔离并包围癌细胞团,激活p53凋亡信号通路,从而抑制癌细胞的存活。这一过程中,E-钙黏素和P-钙黏素分别调控细胞界面的几何形状和力学完整性,确保癌细胞被有效隔离。
在血管生成过程中,内皮细胞的出芽伴随着基质塑性形变。Wei等 通过动态共价网络水凝胶模拟塑性可调的基质,发现高塑性基质促进内皮细胞黏着斑的稳定形成,进而激活黏着斑激酶,削弱钙黏素的表达,最终促进血管生成。
在血管修复过程中,血管细胞受到血管壁循环拉伸的调控。Han等 研究发现,生理范围内的循环拉伸可以通过上调Acsl1增强内皮祖细胞的线粒体脂肪酸代谢,促进其对血管的黏附和分化,加快血管修复。在另一项研究中,该研究团队通过不同幅度的循环拉伸作用于血管平滑肌细胞,模拟正常血压和高血压条件 。结果表明,在高血压背景下,高幅度的循环拉伸通过抑制PGC1α蛋白,显著下调柠檬酸合酶和线粒体DNA,导致血管平滑肌细胞线粒体功能障碍。
此外,细胞与基质之间的黏附是一个动态循环的过程。Zhang等 开发了一个基于DNA的整合素黏附动态调控平台,发现通过循环调控黏附,能够增强间充质干细胞的肌动蛋白组装和力信号传导。通过建立基于分子离合器的细胞骨架重塑动力学模型,该研究揭示了整合素介导的循环黏附如何通过调控肌动蛋白丝的组装来调节下游力学信号通路的机制(见 图5 )。
图5 DNA驱动的循环整合素黏附策略和基于分子离合器的骨架重塑动力学模型
尽管我们对细胞的力学性能及其力学微环境已有相当的了解,但常用的细胞力学测量方法(如微柱阵列、牵张力显微镜和原子力显微镜等)在空间分辨率、力学灵敏度、活细胞成像、测量通量及多尺度分析方面仍存在诸多局限。为克服这些不足,新的技术不断涌现,推动了对细胞力学的更深入认知。
例如,Wang等 开发了一种基于DNA的分子牵张力显微镜,利用DNA发卡结构在超过特定张力阈值下可逆打开的特性,检测单分子水平pN量级张力(见 图6 )。结果发现,成纤维细胞对基质刚度的响应并非通过超载已有的整合素-配体键,而是通过增加整合素的招募和加速整合素与配体结合的频率,促进黏着斑的成熟。结合单细胞微图案化技术,该研究团队还发现细胞膜的曲率影响黏着斑尺寸,进而改变高张力整合素的密度和空间分布 。
其他测量细胞力的方法也不断创新。Mohagheghian等 构建了一种可控的磁性微型机器人探针,能够实时量化三维培养细胞的收缩力。Li等 开发了一种光子晶体细胞力显微镜,能够在宽视野下高速成像细胞的垂直力。Ho等 则开发了一个双靶向荧光探针,能够同时靶向细胞膜和线粒体,用于测量两者的膜张力。
Hu等 对多种细胞力学测量技术进行了详细综述,展示了这些创新工具在提升细胞力学研究精度和效率方面的巨大潜力。这些技术的进步推动了我们在细胞生物学及其力学微环境中的新发现。
作为与实验研究互补的手段,力学模型在细胞力学的发展中发挥着举足轻重的作用。其优势在于避免了复杂、重复且耗时的实验操作,并能从有限的实验数据中提炼出跨时空尺度的连续理论框架,为揭示实验现象背后的机制、预测新现象、指导后续实验提供了强有力的工具 。
在许多生物过程中(如细胞迁移、组织再生、器官发育、癌症转移和形态发生),细胞和组织经历显著的塑性变形。与传统的唯象模型不同,Sun等 提出了一种基于机制的细胞和组织塑性理论,考虑了细胞主动收缩力和内吞囊泡形成等关键过程。该理论揭示,分子尺度上的肌球蛋白收缩和内吞囊泡形成通过力学-化学反馈,触发邻近细胞的主动收缩和塑性变形,最终导致塑性变形波以恒定速度在单层细胞中传播。这一理论为跨尺度的细胞塑性变形行为提供了有力的解释(见 图7 )。
在癌症侵袭和免疫反应过程中,细胞通过适应前端障碍物进行迁移。Chen等 提出了时空“阻力适应推进”理论,描述了细胞通过阻力触发的微丝弯曲与微丝-Arp2/3结合的反馈机制,调节推进力,从而克服或绕过障碍物。这一理论为预测复杂细胞外基质中的细胞迁移行为提供了理论工具。
在疾病的发生和发展中,评估组织力学性能的变化对疾病的诊断和预后评估至关重要。Chang等 [50-51] 提出了自相似理论模型,概括了肝脏和心脏在不同尺度下的黏弹性行为,发现它们表现出普遍的两阶段幂律流变特性。随着疾病进展,黏弹性多尺度力学指标(如幂律指数和弹性刚度)及其分布特征发生变化,这些指标有望成为新的疾病诊断和预后评估依据。
其他力学模型在细胞力学研究中也取得了显著进展。例如,Li等 提出的单层细胞压痕力学模型揭示了细胞密度和细胞间相互作用对上皮组织力学性能的显著影响。在细胞响应外界力学环境方面,Cheng等 构建了一个涵盖整合素黏附、骨架收缩、细胞核形变及YAP核定位的力学模型,揭示了细胞对不同外基质力学特性(如刚度、黏性、黏弹性等)的响应机制;Yu等 建立了骨单位多孔弹性有限元模型,研究了在不同载荷下骨细胞取向对骨液流动的影响,为理解衰老和骨疾病中的骨细胞方向变化提供了理论依据;Cheng等 通过一个理论模型描述了三维受限空间中多级纺锤体的形成过程,揭示了癌细胞染色体不稳定性产生的机制。
在描述细胞迁移行为方面,Yang等 提出了一个持续随机行走理论,统一了细胞正负趋硬行为的产生机制;Xu等 通过有限元模型分析了周期性拉伸对伤口愈合的影响,指出拉伸幅度和方向对愈合速度和模式具有显著作用;Wang等 的主动顶点模型综合了相邻细胞间的力学相互作用及细胞内部力学过程,揭示了在相同几何约束下,不同类型细胞运动模式差异的力学机制;Zhang等 则在经典马达-离合器模型的基础上,整合了多层力-化学转导过程,模拟了中性粒细胞在基质上的趋化迁移行为,揭示了中性粒细胞迁移过程中尾迹形成的机制。
2023年的研究进一步深化了细胞力学在疾病进展、组织修复等生物过程中的关键作用,特别是在跨尺度力学行为的解析上取得了新的认识。先进的力学测量技术推动了精确的细胞力学研究,而力学模型为揭示细胞在复杂环境中的行为机制提供了有力支持。未来,细胞力学研究有望在再生医学、癌症治疗等领域实现更广泛的应用,跨学科合作也将加速这一领域的突破性进展。
作者贡献声明： 朱鸿源负责文献搜集整理、论文撰写;王琎、苗润参与文献搜集整理、论文撰写;林敏负责论文设计、撰写和修改。
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