力學與細胞培養

力是使物體變形、運動和/或改變運動狀態的機械作用。機體處于力學環境之中，機體的各項生命活動均受力學因素的影響。力不僅誘導機體組織細胞生變形效應和/或運動效應，而且可引發復雜的生理功能改變。生物力學(biomechanics)是研究生命體變形和運動的學科，通過生物學與力學原理方法的有機結合，認識生命過程的規律，解決生命與健康領域的科學問題。上世紀90年代以來，隨著科學技術的進步，生物力學的研究逐漸深入到細胞分子層次，生物力學自身也在不斷發展。

力學生物學(mechanobiology)就是生物力學的一個新興的多學科領域，主要包括肌細胞和發育生物學、生物工程和生物物理學。力學生物學主要通過研究力學環境對生物體健康、疾病或損傷的影響，闡明力與機體發育、生長、重建、適應性變化和修復等的相互關系，從而促進病理機制的研究和發展有效的治療策略。力學生物學的研究重心側重于機械力調控組織的形態和結構變化過程，即組織如何通過細胞對力學刺激產生反饋，維持形態結構并適應環境。研究的問題主要涉及力學刺激信號、信號傳導通路和細胞受力后的反應過程三大部分的內容。

生物體內的細胞生長在復雜的三維基質結構中，外界力學作用通過基質傳導至細胞各處，刺激細胞功能，進而影響組織生長和重建。力學刺激( 如壓力、拉力、剪切力等)在調節細胞行為中發揮重要作用，通過研究細胞的力學響應規律可以為疾病治療提供參考?？茖W技術的發展使得物理力的測量和力學感受器如何跨結構感知和響應物理力等的研究成為可能。新的實驗工具和理論模型在科研領域的結合應用，使得力學刺激對機體組織器官代謝和功能的影響進一步被研究。近年來，研究人員清楚的認識到，機械力在器官形成過程中促進和調控關鍵的細胞過程。這類機械調節通過細胞與ECM的相互作用、細胞骨架張力形成、細胞間的連接等復雜的機械信號感知其所在的物理微環境，并伴隨產生肌肉神經活動、細胞增殖、分化、凋亡和遷移等生物化學改變來調節其在組織中的行為。盡管不同的細胞類型機械轉導的表現形式有很大的區別，但其潛在的細胞和分子機制基本一致。幾乎每一種蛋白都以使其自由能最小化的構象存在，施加在蛋白上的外力會改變其能量平衡導致蛋白構象改變從而改變其活性，因此，任何在細胞結構中受到力的作用的蛋白質都有可能成為機械傳感器。機械敏感蛋白位于質膜的拉伸激活離子通道，拉伸激活的離子通道并不單獨起作用，而是與肌動蛋白和微管細胞骨架協同發揮作用。細胞質膜不僅會受到剪切流等外力的影響，還會受到細胞骨架聚合、滲透壓等內力的影響。細胞與細胞或ECM的連接，構成了細胞機械轉導的平臺。機械應力可以轉化為與器官發生的遺傳程序相結合的信號，在胚胎發育、成體內穩態和組織器官再生過程中發揮重要作用。細胞通過將機械刺激轉化為生化信號來對物理環境變化做出反應，細胞在二維或三維組織環境中不斷感知其所在的物理微環境，調節細胞分化和運動等在組織中的行為，進而調節細胞功能。這種傳感需要復雜的機械信號機制，包括細胞與ECM的相互作用和細胞間的連接。目前，體外細胞加載的主要方式有流體剪切加載、離心加載、基底形變加載和真空負壓加載。其中，基底形變加載方式適用于各種貼壁細胞的體外力學實驗，是目前一種重要的實驗方法。此類儀器的基本原理為: 將細胞接種于柔性培養腔室內，進而通過機械裝置對依附腔室底面的細胞進行間接應變刺激。加載過程中需置于培養箱內以保證細胞適宜的生長環境。