2017年12月期刊俱乐部:活体哺乳动物细胞质力学

活的哺乳动物细胞质的力学< / p >

1.概述< / p >

活的哺乳动物细胞的细胞质是一个拥挤而动态的环境(1)。它为细胞工厂和从转录、翻译到蛋白质结合和折叠的所有细胞内生理过程提供了关键的物理环境。因此，了解细胞质的基本物理性质对于了解细胞的基本生理学是至关重要的。此外，还有对细胞功能至关重要的连续细胞内运动，如囊泡和其他细胞器的运输。虽然生物马达和其他酶过程为这些活动提供了关键的驱动力，但细胞质的机械行为对于决定细胞隔室经历的机械阻力至关重要。主动驱动力和合适的机械环境对于形成活细胞机制都是至关重要的。然而，虽然分子马达单独和集体产生的力已被广泛研究(2,3)，但细胞质环境的力学行为仍在很大程度上被探索。

事实上，人们越来越认识到细胞的力学特性直接影响细胞和组织的生物学功能(4-13);例如，细胞及其周围基质的硬度影响干细胞命运、癌症转移、凋亡、细胞信号等。然而，大多数以前的研究都是从外部探测细胞，使用原子力显微镜、磁镊子或光学拉伸器等技术(14-20);因此，这些测量结果主要是由坚硬的富含肌动蛋白的细胞皮层的机制决定的，而不是由更加脆弱和柔软的细胞质决定的(21)。此外，以往对细胞和细胞质的力学表征大多在小变形范围内进行(3- 5,22 -24)，而细胞在细胞迁移、肿瘤细胞外渗漏、细胞内运输等众多生理过程中，往往会发生极大的变形或反复的加载和卸载循环;因此，活的哺乳动物细胞质在大变形时的非线性力学行为在很大程度上仍未被探索。< / p >

我的团队一直在使用光镊进行主动微流变测量(3,21,23,24)，以直接表征活的哺乳动物细胞质的力学行为。磁性镊子等其他技术在研究细胞质力学方面也很有用。在这里，我想从力学和材料的角度讨论几个可能提供活的哺乳动物细胞细胞质的全面图片的主题。我将继续进行交互修改和扩展。

2.1线性状态的细胞质力学。< / p >

细胞质通常被揭示为一种粘弹性材料，其性质不依赖于探针的大小(25)。最近，也有人提出活细胞的细胞质可能表现得像多孔弹性凝胶，其性质强烈地依赖于探针的长度尺度(19)。然而，与这些基于弹性的模型相反，也有研究声称，活哺乳动物细胞的细胞质表现为粘性流体，而不是弹性固体，细胞质的粘度是水的几百倍(26)。这些理解是截然不同的。因此，系统地描述细胞质力学特性，即使是在小变形状态下，在宽应变率和大小范围内，将有助于我们理解不同的解释可能来自哪里。这种特性将为理解物理环境和活细胞内的许多关键动态过程提供重要的见解。

在最近的一项研究(24)中，我们用光镊子在哺乳动物活细胞的细胞质中拖动塑料珠，并直接测量力和位移关系，这反映了细胞质的力学行为。在同时考虑粘弹性和孔隙弹性的情况下，我们确定了两个独立的尺寸参数:V/a和Va，其中V和a代表探针珠的速度和直径。利用这两个控制参数，结合实验测量和尺度分析，我们揭示了细胞质阻力的不同来源，从粘性、粘弹性、孔隙弹性到纯弹性。最后，我们将不同的细胞质力学行为划分为一个整体状态图，这说明了不同特征大小和速度的细胞中各种生理过程的机械阻力的不同来源(24)。

细胞骨架成分的影响。接下来的问题是研究主要细胞质组分对细胞质力学行为的贡献。为此，可以使用化学物质和遗传工具来破坏或敲除特定的细胞骨架成分;此外，还可以通过施加外渗透压来控制细胞含水量。例如，细胞松弛素D和诺可达唑可用于解聚f -肌动蛋白和微管(MTs)。细胞质中间纤维(IF)，如波形蛋白IF，可以在保持相同数量的肌动蛋白和微管的同时被基因敲除(27)。我们之前的研究结果表明波形蛋白IFs确实极大地影响了细胞质的机制(21)。表征主要细胞质成分，如f -肌动蛋白、MTs、波形蛋白IFs、含水量和运动活性对细胞质力学行为的影响至关重要。这也将帮助我们理解每个细胞骨架成分在决定细胞质粘弹性、孔隙弹性和粘度中的作用。

2.2哺乳动物细胞质大变形时的非线性力学行为。< / p >

细胞在发育、迁移、长距离主动转运等重要生命过程中经常经历较大的变形(1)。在大变形时，生物材料往往表现出非线性行为，其模量是应变的函数(28)。这种行为已经在体外对重组的生物聚合物网络进行了很好的研究(29,30)。然而，大多数关于活细胞的研究都专注于探测它们在小变形时的特性，测量细胞的刚度，这对应于线弹性模量(3,14,21,31 -33)。然而，细胞质在大变形时的非线性力学行为仍然是未知的;此外，在极端情况下，活细胞内的屈服强度从未被测量过。对细胞质屈服行为的直接描述是特别重要的，因为它为细胞在复杂生理条件下保持机械完整性的能力提供了关键的见解，也将为最近提出的用于描述细胞质的玻璃状材料模型提供关键的证据(34)。在这个目标中，我们计划直接测量活的哺乳动物细胞质的非线性力学行为。我们将进一步获得细胞质的屈服强度/菌株和屈服后行为。此外，我们将测量每个主要细胞成分对细胞质的非线性力学行为和关键力学参数的贡献。 These would enable a quantitative understanding of cell properties and behaviors in the nonlinear regimes.

细胞质的屈服强度/应变和屈服后行为。哺乳动物细胞中典型的细胞骨架网络的网格尺寸约为50 nm(35)，但大多数内源性细胞器或囊泡都比它大得多。因此，要实现从细胞一侧到另一侧的长距离运输，施加在货物或细胞器上的主动力必须大于细胞质的机械屈服强度。由于细胞质的复杂微观结构，屈服强度/应变和屈服后行为预计具有明显的尺寸和速率依赖性。

细胞骨架成分的影响。目前还完全不清楚每一个细胞骨架成分如何决定细胞质在大变形时的非线性力学行为。特别是波形蛋白IFs已被证明在许多关键的生理过程中发挥重要作用，如上皮到间充质转化(EMT)和伤口愈合。在这些过程中，波形蛋白IFs的表达与细胞变形和迁移的能力密切相关(27,36,37)。因此，IFs在细胞质非线性力学中的作用可能更为重要。

2.3哺乳动物细胞质循环加卸载的力学行为。

在细胞迁移分裂、肿瘤侵袭、伤口愈合等众多生理过程中，细胞并非简单地发生中度或较大程度的变形，而是作为其“日常生活”的一部分而反复发生这种变形。这突出了细胞质作为一种活物质的动态性质。表征细胞质在重复负荷下的可塑性、形状恢复、损伤和自我修复能力对于理解基本细胞生理学至关重要，但仍在很大程度上有待探索。这些力学行为对于大多数工程材料的应用至关重要，但从未在细胞质中进行过探索，因此限制了我们对活细胞内力学环境的理解。对循环负荷下细胞质的这些复杂力学参数的描述也将为理解细胞如何利用不同的细胞成分来组装生命机械提供关键见解，并将激励工程生命系统的设计。

2.4可塑性

2.5自愈特性

图1所示。机械细胞质状态图。符号标记了我们初步测试的状态。I:粘性流体;二:不可压缩粘弹性;第三:poro粘弹性;四:可压缩粘弹性;V:不可压缩弹性;VI:非松弛孔隙弹性;VII:可压缩弹性;八:连续力学不适用。

图2机械细胞质状态图。符号标记了我们初步测试的状态。I:粘性流体;二:不可压缩粘弹性;第三:poro粘弹性;四:可压缩粘弹性;V:不可压缩弹性;VI:非松弛孔隙弹性;VII:可压缩弹性;八:连续力学不适用。

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