一、研究背景與意義

• 細胞力學(xué)感知（Mechanosensation） 是細胞將機械刺激轉(zhuǎn)化為生化信號的過程，調(diào)控組織發(fā)育、再生、病變等生理病理過程。

• 目標：為生物材料設(shè)計提供力學(xué)依據(jù)，實現(xiàn)精準再生醫(yī)學(xué)。

二、細胞力感知機制

1. 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

• 膜受體：整合素（Integrin）、鈣黏蛋白（Cadherin）等。

• 力傳導(dǎo)鏈：

• 細胞-基質(zhì)：ECM → 整合素 → 適配蛋白（如Talin/Vinculin）→ 肌動蛋白（F-actin）。

• 細胞-細胞：Cadherin → α/β-連環(huán)蛋白 → F-actin。

• 機械敏感離子通道：如Piezo1/2、TRPC6，響應(yīng)膜張力。

• 核力傳導(dǎo)：通過LINC復(fù)合體（Nesprin-SUN1/2-Lamin）連接核骨架與胞質(zhì)骨架。

圖1：細胞骨架和力敏感機制

2. 信號通路

• YAP/TAZ：力誘導(dǎo)核轉(zhuǎn)位，調(diào)控基因表達。

• Ca2?信號：通過機械敏感通道觸發(fā)，影響細胞收縮與分化。

3. 分子離合器模型（Clutch Model）

• 動態(tài)鍵合：整合素-ECM為“catch bond”（力增強結(jié)合），Talin-F-actin為“slip bond”（力削弱結(jié)合）。

• 力傳導(dǎo)效率：取決于鍵合壽命、加載速率和分子親和力。

三、細胞力感知在生理與病理中的作用

• 生理：骨重塑、傷口愈合、神經(jīng)再生、心肌收縮。

• 病理：器官纖維化（腎、心）、腫瘤轉(zhuǎn)移（基質(zhì)硬度促進侵襲）、糖尿病血管病變。

四、生物材料設(shè)計策略

• 力學(xué)匹配：仿生材料需模擬天然組織的剛度、拓撲結(jié)構(gòu)。

• 智能材料：響應(yīng)pH、溫度、力學(xué)刺激的動態(tài)材料（如溫敏水凝膠）。

• 3D打印：梯度剛度支架（骨/軟骨再生）。

• 負載結(jié)構(gòu)：金屬（鈦合金）vs. 可降解聚合物（PLGA、PCL）的平衡。

五、細胞力學(xué)檢測技術(shù)

圖2：細胞力研究的不同分析方法的示意圖

六、熒光張力傳感器

• 類型：

• 數(shù)字可逆?zhèn)鞲衅鳎―TS）：PEG/DNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)，力程0-20 pN。

• 二元傳感器（BTS）：dsDNA斷裂閾值（10-60 pN），如TGT/ITS。

• 膜張力傳感器：FliptR（熒光脂質(zhì)探針）、MSS（FRET膜蛋白探針）。

• 應(yīng)用：

• 量化整合素激活閾值（血小板需>43 pN）。

• 實時監(jiān)測細胞遷移、粘附動力學(xué)。

七、未來方向

1. 長期監(jiān)測：開發(fā)抗降解傳感器（如PNA替代DNA）。

2. 實時分子互作：解析受體-配體結(jié)合壽命與加載速率。

3. AI與機器學(xué)習：自動化分析多模態(tài)力學(xué)數(shù)據(jù)。

4. 3D組織模型：整合TFM與張力傳感器，模擬體內(nèi)力學(xué)微環(huán)境。