细胞与机械力的作用 3116037001

细胞对机械力的研究分析汇报人：秦靖学号：3116037001

机械力是生命赖以存活的环境因素之一，对人的生长发育和疾病都会起到重要的作用。机械力在生物界普遍存在，生物体无论动物，植物还是微生物，时刻处于各种机械力的作用下，在外部，生物体受到重力，空气压力，液体压力，声波刺激等力的作用，在内部，则存在肢体运动和细胞生长产生的局部应力，心脏和肺等器官收缩运动产生的压力，体液的流动产生的剪切力，压力和周向力等等，在受力的对象上，大至器官小至细胞，这些力影响并调节生物体的生长，发育，生理功能，甚至基因的表达和调控。背景：研究机械力对生物体的作用，无论在理论上还是应用上都有相当的意义。在理论上力信号的转导及其机制是一个不同于传统生化信号转导的领域。在应用上，研究力对生物体的作用对于研究心脑血管疾病,如动脉粥状硬化,血栓等等的成因和临床上的预防及治疗有很好的指导作用。因为细胞构成组织和器官，同时又由生物大分子构成，因此力对细胞的作用是力对组织和器官作用的基础，同时也是进一步研究力对生物大分子作用的起点。机械力对细胞的影响1对细胞施加机械力的方法2机械力对细胞影响的机理研究3CELL:T细胞利用机械力增强其杀伤能力4目录CONTENTS1机械力对细胞的影响1.1机械力对成骨细胞的影响

正常骨组织改建、骨折的修复、正畸牙移动以及牵张成骨等都离不开机械力学刺激,而生理状态的周期性机械力刺激是骨组织新生的基础。在体内，成骨细胞受到力学信号的种类不同，各种力之间相互偶联。

（一）流体剪切力

在生物体内，流体剪切应力通过多种交互和相互竞争的信号转导途径刺激人类成骨细胞增殖和分化。流体剪切力主要由骨小管内体液对管壁上附着的成骨细胞膜的作用产生。当机体运动的时候，肌肉的牵拉会使骨的表面发生微小的变化，这些微小的变化会导致骨小管内的液体发生相对流动，对成骨细胞产生流动剪切力。（一）流体剪切力

成骨细胞的增殖和分化与流体剪切力的刺激有密不可分的联系，较低强度的流体剪切力对成骨细胞的影响并不大，较高强度的流体剪切力会抑制细胞的增殖。流体剪切力还能改变细胞的形态。1.2Pa的流动剪切力作用1h后，成骨细胞沿流动方向一致被拉长，去除流体剪切力培养24h后，细胞又恢复原来的形态结构。1.9Pa的流体剪切力作用1h后，细胞发生皱缩，随后出现脱落，生物活性消失。去除剪切力培养24h后，细胞的形态结构均未恢复原来的状态。（一）流体剪切力

在研究流体剪切力促进成骨细胞增殖机制中发现在6、12、18dyn/cm2这3种不同强度的流体剪切力的作用下，12dyn/cm2为最佳的剪切力强度，可明显的促进成骨细胞的增殖和分化。通过以上研究可以发现流体剪切力能改变,成骨细胞的形态结构，影响细胞的增殖和分化。（二）离心力

离心力是利用离心机旋转产生的一种惯性力，这种力与重力相似，可以用来研究成骨细胞在不同重力环境下的增殖和分化。4~30g离心力对应于生理水平的40~300微应变，比如散步和跑步等运动。（二）离心力5g的超重力作用能促进DNA的合成，效率达150%。

在较低水平离心力（1.5~2.0g）刺激下能促进成骨细胞的增殖，而当细胞在高水平离心力（40~80g）作用下时，细胞的生长和分化将受到抑制表明：在较低离心力作用下，细胞处于失重状态，细胞的生物学活性下降。在较高的离心力作用下，细胞处于超重状态，细胞的生物学活性升高。而超出生理应变的离心力也将抑制成骨细胞的生物学活性。（三）机械压力

作用于成骨细胞的机械压力可分为动态压力和静态压力。（三）机械压力成骨细胞加载2atm的持续性静态压力后，细胞的生长较对照组缓慢，但作用1d后，细胞的骨钙素分泌明显增多，细胞的分化受到促进。成骨细胞施加动态压力（0.098MPa，15min加压，15min不加压，每天加压8h）时发现成骨细胞的数量增加并且分化加快通过众多的研究可以知道无论是静态压力还是动态压力，在生理范围内均能促进成骨细胞的增殖和分化。

（四）机械张力

机械张力是影响骨增殖和吸收的一个重要因素。

在机体内，骨组织受到的多种牵张力会使成骨细胞发生应变，成骨细胞的结构发生变化并分泌相应的物质。在日常生活中，牵张力随时刺激着骨组织，比如运动时肌肉对骨的牵拉均会产生机械张力。（四）机械张力连续6h的拉伸应变可显著增加BMP-2和Runx2基因的表达，并抑制OCNmRNA的表达。大小适宜的机械张力可促进成骨细胞的增殖和分化。分别给成骨细胞加载12%的拉伸应变率，机械张力明显的促进了细胞的增殖和ALP的活性。给成骨细胞每天加载30min的牵张力时，细胞的增殖提高10%~48%，但ALP和骨钙素的分泌明显降低。机械张力的大小、时间、频率均影响着成骨细胞的增殖分化，（五）机械振动

机械振动是一种常用来治疗骨质疏松症的物理方法，目前运用已相当广泛。在体外可以控制振动的强度和频率达到不同的治疗效果。（五）机械振动

高频率、低强度的机械振动能促进成骨细胞的增殖和分化分别给牙周干细胞加载40、50、60、70、80、90Hz的振动时，当频率为50Hz时，碱性磷酸酶的活性和骨钙素的分泌达到峰值，并且在40Hz和50Hz下Col-I、Runx2和Osterix的水平显著增加。在微重力环境下，加载一定频率的振动力可促进成骨细胞的增殖和分化，90Hz和5~90Hz变频振动在微重力环境下可促进成骨细胞的增殖，45Hz和5~90Hz变频振动能保护成骨细胞的分化功能。不同大小的频率对成骨细胞周期、增殖和分化会产生不同的影响。适当的机械振动可促进成骨细胞的增殖和分化，从而达到预防骨折和治疗骨质疏松等作用。2.机械力对其他细胞的影响机械力对血管内皮细胞生理功能的影响是多方面的。在应用流体剪切力后，培养的VECs在流动方向上表现出明显的排布和伸长。静水压力可直接导致VECs纤溶功能下降。适度的压力可促进VECs的生长，减缓其调亡。给胚胎干细胞施加一个微小的机械力，能引起胚胎干细胞强烈的生物学反应，并引导其向特殊的方向分化，这提示局部微小机械力对柔软胚胎的早期发展有非常重要的作用。

2机械力对细胞影响的机理研究1.激活离子通道作为机械力受体的膜结构主要包括离子通道，G-蛋白连接受体，酪脂酸激酶及整合素族等，离子通道与G-蛋白连接受体经机械力激活后的改变则涉及细胞内Ga2+的水平的变化，Ga2+作为细胞内的第二信使在信号传导中有极其重要的作用，同时，Ga2+又是许多关键酶发挥活性之必需，故Ga2+在细胞感受机械力并引起自身形态与功能变化中可能发挥了相当的作用。2.对细胞膜上蛋白分子的作用细胞膜上分布着各种膜蛋白,其中的部分蛋白被认为能被机械力激活或者传递机械力进入细胞!目前整联蛋白被认为是一种最可能的力信号感受器,机械力对整联蛋白的作用可激发与整联蛋白相连的下游信号分子的激活并进一步将力传入细胞,但目前对于该过程中整联蛋白转导力信号的机制尚未清楚,且细胞膜上是否存在其它力信号感受器也有待研究!3.对细胞骨架的作用细胞骨架是细胞中重要的组成部分,其三种结构基础,微丝,微管,中间丝各成系统,对机械力主要起响应的结构是微丝,是由双股F-actin螺旋式组成的，而微丝与细胞质膜上的蛋白质脂分子相互连接而成为细胞运动,细胞形态和跨膜信息传递的结构基础,所以微丝的改变将会影响细胞生理功能。4.细胞核新发现认为细胞核自身可作为一种机械感受器直接控制基因转录。细胞核的力学性能受粘着斑及细胞骨架影响。机械力作用下，细胞内的变形可改变核内染色体构象，使细胞核体积明显改变，细胞核表面积与基因表达息息相关，改变信号通路。对细胞施加机械力作用的实验方法31.微管吮吸法

利用压力差产生的吸引力测量细胞膜的弹性。基本方法为测定吸入单位长度的细胞所需的负压值，测定恒定负压值下吸入的细胞长度，测定吸入整个细胞所需的负压值。2.周期性拉伸基底法利用细胞在培养时的贴壁性，将细胞在可延伸的基底上培养，然后周期性地拉伸基底，从而对细胞产生周期性的拉伸力。3.流体剪切力加载装置平行平板流动式是常用的一种流体剪切力加载装置，该装置是一个高度远小于横向宽度和纵向长度的扁平流动腔室，由不同高度的静水压提供恒定的剪切力，或由激活泵提供瞬态剪切力使流入管和流出管之间产生压差，使流动室内的细胞受到均匀或脉冲的剪切力作用。4.空气液体传导静压力加载装置将细胞培养器皿放置于一个密闭的环境中，通过以下方法进行加载:抽真空产生负压使培养室内的细胞受压，向密闭的培养室内注入二氧化碳和空气使培养室内的细胞受压;水柱产生的静水压力作用于培养室内的细胞。5.双轴力学应变系统该系统由培养小室，压力腔，液压加载及控制系统组成，培养小室的底部为医用硅橡胶薄膜的有机玻璃，内径为30mm,高度为20mm，该系统可同时对多个培养小室进行力学加载，可调节加载幅值，频率，周期和作用时间。Flexflow平行板流室系统

STR-4000细胞流体切应力系统4CELL:T细胞利用机械力增强其杀伤能力CytotoxicTCellsUseMechanicalForcetoPotentiateTargetCellKilling

DOI:DOI:/10.1016/j.cell.2016.01.021细胞与细胞之间会通过粘性接触后，进行动态地信号交换等相互作用（包括生物化学信号和生物物理信号等）。在这些细胞结合的突触上。一些微米级的细胞化学反应和细胞内的细胞骨架运动都会打破细胞张力等机械力的平衡。细胞可以利用这个施加的力来感应其所处的环境中的物理特性，并将这种物理信号转导成细胞内的化学信号，这个过程被称之为机械信号传导。这种机械力已被证明对T/B等淋巴细胞的激活和分化起着关键作用。揭示关于细胞毒性T细胞利用机械力来增强其对靶细胞的杀伤能力的分子机理。细胞毒性T细胞与靶细胞形成免疫突触后，T细胞会通过机械力促进细胞骨架蛋白的重排改变细胞膜的张力。来自T细胞膜的张力会增强由细胞毒性T细胞释放的穿孔素在靶细胞膜上成熟，最后将靶细胞溶解破坏掉。测量垂直力：测量平面力：力作用下来表现为目标靶细胞的张力增加。T细胞杀死靶细胞通过穿孔素裂解细胞细胞张力增强提高了孔的形成，认为突触力可通过对靶细胞施加张力来加强穿孔素孔形成。为了探索细胞张力和穿孔