細胞與機械力的作用 3116037001

細胞對機械力的研究分析匯報人：秦靖學號：3116037001

機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，甚至基因的表達和調(diào)控。背景：研究機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?shù)囊饬x。在理論上力信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)及其機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，因此力對細胞的作用是力對組織和器官作用的基礎(chǔ)，同時也是進一步研究力對生物大分子作用的起點。機械力對細胞的影響1對細胞施加機械力的方法2機械力對細胞影響的機理研究3CELL:T細胞利用機械力增強其殺傷能力4目錄CONTENTS1機械力對細胞的影響1.1機械力對成骨細胞的影響

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械力學刺激,而生理狀態(tài)的周期性機械力刺激是骨組織新生的基礎(chǔ)。在體內(nèi)，成骨細胞受到力學信號的種類不同，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胞膜的作用產(chǎn)生。當機體運動的時候，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，對成骨細胞產(chǎn)生流動剪切力。（一）流體剪切力

成骨細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，較低強度的流體剪切力對成骨細胞的影響并不大，較高強度的流體剪切力會抑制細胞的增殖。流體剪切力還能改變細胞的形態(tài)。1.2Pa的流動剪切力作用1h后，成骨細胞沿流動方向一致被拉長，去除流體剪切力培養(yǎng)24h后，細胞又恢復(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成骨細胞增殖機制中發(fā)現(xiàn)在6、12、18dyn/cm2這3種不同強度的流體剪切力的作用下，12dyn/cm2為最佳的剪切力強度，可明顯的促進成骨細胞的增殖和分化。通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)流體剪切力能改變,成骨細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)，影響細胞的增殖和分化。（二）離心力

離心力是利用離心機旋轉(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DNA的合成，效率達150%。

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

作用于成骨細胞的機械壓力可分為動態(tài)壓力和靜態(tài)壓力。（三）機械壓力成骨細胞加載2atm的持續(xù)性靜態(tài)壓力后，細胞的生長較對照組緩慢，但作用1d后，細胞的骨鈣素分泌明顯增多，細胞的分化受到促進。成骨細胞施加動態(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)均能促進成骨細胞的增殖和分化。

（四）機械張力

機械張力是影響骨增殖和吸收的一個重要因素。

在機體內(nèi)，骨組織受到的多種牽張力會使成骨細胞發(fā)生應(yīng)變，成骨細胞的結(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)生機械張力。（四）機械張力連續(xù)6h的拉伸應(yīng)變可顯著增加BMP-2和Runx2基因的表達，并抑制OCNmRNA的表達。大小適宜的機械張力可促進成骨細胞的增殖和分化。分別給成骨細胞加載12%的拉伸應(yīng)變率，機械張力明顯的促進了細胞的增殖和ALP的活性。給成骨細胞每天加載30min的牽張力時，細胞的增殖提高10%~48%，但ALP和骨鈣素的分泌明顯降低。機械張力的大小、時間、頻率均影響著成骨細胞的增殖分化，（五）機械振動

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

高頻率、低強度的機械振動能促進成骨細胞的增殖和分化分別給牙周干細胞加載40、50、60、70、80、90Hz的振動時，當頻率為50Hz時，堿性磷酸酶的活性和骨鈣素的分泌達到峰值，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成骨細胞的增殖和分化，90Hz和5~90Hz變頻振動在微重力環(huán)境下可促進成骨細胞的增殖，45Hz和5~90Hz變頻振動能保護成骨細胞的分化功能。不同大小的頻率對成骨細胞周期、增殖和分化會產(chǎn)生不同的影響。適當?shù)臋C械振動可促進成骨細胞的增殖和分化，從而達到預(yù)防骨折和治療骨質(zhì)疏松等作用。2.機械力對其他細胞的影響機械力對血管內(nèi)皮細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VECs的生長，減緩其調(diào)亡。給胚胎干細胞施加一個微小的機械力，能引起胚胎干細胞強烈的生物學反應(yīng)，并引導(dǎo)其向特殊的方向分化，這提示局部微小機械力對柔軟胚胎的早期發(fā)展有非常重要的作用。

2機械力對細胞影響的機理研究1.激活離子通道作為機械力受體的膜結(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)機械力激活后的改變則涉及細胞內(nèi)Ga2+的水平的變化，Ga2+作為細胞內(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+在細胞感受機械力并引起自身形態(tài)與功能變化中可能發(fā)揮了相當?shù)淖饔谩?.對細胞膜上蛋白分子的作用細胞膜上分布著各種膜蛋白,其中的部分蛋白被認為能被機械力激活或者傳遞機械力進入細胞!目前整聯(lián)蛋白被認為是一種最可能的力信號感受器,機械力對整聯(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一步將力傳入細胞,但目前對于該過程中整聯(lián)蛋白轉(zhuǎn)導(dǎo)力信號的機制尚未清楚,且細胞膜上是否存在其它力信號感受器也有待研究!3.對細胞骨架的作用細胞骨架是細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，而微絲與細胞質(zhì)膜上的蛋白質(zhì)脂分子相互連接而成為細胞運動,細胞形態(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胞生理功能。4.細胞核新發(fā)現(xiàn)認為細胞核自身可作為一種機械感受器直接控制基因轉(zhuǎn)錄。細胞核的力學性能受粘著斑及細胞骨架影響。機械力作用下，細胞內(nèi)的變形可改變核內(nèi)染色體構(gòu)象，使細胞核體積明顯改變，細胞核表面積與基因表達息息相關(guān)，改變信號通路。對細胞施加機械力作用的實驗方法31.微管吮吸法

利用壓力差產(chǎn)生的吸引力測量細胞膜的彈性?；痉椒闇y定吸入單位長度的細胞所需的負壓值，測定恒定負壓值下吸入的細胞長度，測定吸入整個細胞所需的負壓值。2.周期性拉伸基底法利用細胞在培養(yǎng)時的貼壁性，將細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，通過以下方法進行加載:抽真空產(chǎn)生負壓使培養(yǎng)室內(nèi)的細胞受壓，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)的細胞受壓;水柱產(chǎn)生的靜水壓力作用于培養(yǎng)室內(nèi)的細胞。5.雙軸力學應(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)小室進行力學加載，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細胞流體切應(yīng)力系統(tǒng)4CELL:T細胞利用機械力增強其殺傷能力CytotoxicTCellsUseMechanicalForcetoPotentiateTargetCellKilling

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