2017年12月杂志俱乐部:活体哺乳动物细胞质力学

活体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但动态的环境(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是至关重要的。此外，还有对细胞功能至关重要的连续的细胞内运动，如囊泡和其他细胞器的运输。虽然生物马达和其他酶促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区室所经历的机械阻力至关重要。积极的驱动力和适宜的机械环境对细胞活机制的形成至关重要。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)，但细胞质环境的机械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机械特性对细胞和组织的生物功能有直接的影响(4-13);例如，细胞及其周围基质的硬度影响干细胞的命运、癌症转移、细胞凋亡、细胞信号传导等。然而，之前的大多数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，这些测量主要是由坚硬的富含肌动蛋白的细胞皮层的力学特性决定的，而不是由更弱更软的细胞质决定的(21)。此外，以往对细胞和细胞质的力学表征大多是在小变形状态下进行的(3- 5,22 -24)，而细胞在许多生理过程中经常经历极大的变形或反复的加载和卸载循环，如细胞迁移、肿瘤细胞外渗漏和细胞内运输;因此，活体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学镊子进行主动微流变测量(3,21,23,24)，以直接表征活体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，我想讨论几个主题，从力学和材料的角度来看，这些主题可能会提供一个关于活哺乳动物细胞细胞质的全面图景。我将继续进行交互修改和扩展。

2.1线性状态下的细胞质力学。< / p >

细胞质通常被认为是一种粘弹性物质，其性质与探针的大小无关(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，其性质在很大程度上取决于探针的长度尺度(19)。然而，与这些基于弹性的模型相反，也有研究声称，活体哺乳动物细胞的细胞质表现得像一种粘性流体，而不是弹性固体，而且细胞质的粘度是水的几百倍(26)。这些理解非常不同。因此，对细胞质力学特性的系统表征，即使是在小变形状态下，在广泛的应变速率和尺寸范围内，将有助于我们理解不同的解释可能来自哪里。这样的表征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。

在最近的一项研究中(24)，我们使用光学镊子在活的哺乳动物细胞的细胞质中拖动一个塑料珠，直接测量了力与位移的关系，反映了细胞质的力学行为。同时考虑粘弹性和孔隙弹性，我们在实验中确定了两个独立的维度参数:V/a和Va，其中V和a代表探针头的速度和直径。利用这两个控制参数，并通过实验测量和标度分析相结合，揭示了细胞质阻力的不同来源，从粘性、粘弹性、孔弹性到纯弹性。最后，我们在一个整体状态图中对不同的细胞质力学行为进行了分类，这说明了不同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)。

细胞骨架成分的作用。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，还可以通过施加外部渗透压来控制细胞水量。例如，细胞松弛素D和诺可唑可用于解聚f -肌动蛋白和微管(MTs)。细胞质中间丝(IF)，如波形蛋白IF，可以在基因上被敲除，同时保持相同数量的肌动蛋白和微管(27)。我们之前的结果表明，波形蛋白干扰素确实对细胞质的机制有很大的影响(21)。表征主要细胞质成分，如f -肌动蛋白、MTs、vimentin IFs、含水量和运动活性对细胞质力学行为的影响是至关重要的。这也将有助于我们了解每个细胞骨架成分在确定细胞质粘弹性、孔隙弹性和粘度方面的作用。

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、长距离主动运输等重要生命过程中经常发生较大变形(1)。在大变形时，生物材料通常表现出非线性行为，其模量随应变而变化(28)。这种行为已经在体外重构的生物聚合物网络中得到了很好的研究(29,30)。然而，大多数对活细胞的研究更侧重于探测它们在小变形下的特性，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在很大程度上仍然未知;此外，在极端情况下，活细胞内部的屈服强度从未被测量过。细胞质屈服行为的直接表征是特别重要的，因为它提供了细胞在复杂生理条件下保持机械完整性的能力的关键见解，也将为最近提出的描述细胞质的玻璃材料模型提供关键证据(34)。在本研究中，我们计划直接测量活体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/应变和屈服后行为。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.

细胞质屈服强度/应变及屈服后行为。哺乳动物细胞中典型的细胞骨架网络的网孔尺寸约为50纳米(35)，但大多数内源性细胞器或囊泡的网孔尺寸要大得多。因此，为了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大小和速率依赖性。

细胞骨架成分的作用。目前还完全不清楚每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，波形蛋白干扰素已被证明在许多关键的生理过程中发挥重要作用，如上皮细胞向间充质细胞转化(EMT)和伤口愈合。在这些过程中，vimentin IFs的表达与细胞的变形和迁移能力密切相关(27,36,37)。因此，干扰素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载-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，细胞不仅仅是简单的中度或较大程度的变形，而且这些变形也是细胞“日常生活”的一部分。这突出了细胞质作为一种活物质的动态特性。表征细胞质在重复载荷下的可塑性、形状恢复、损伤和自愈能力对于理解基本的细胞生理学至关重要，但仍未得到充分的研究。这些机械行为对于大多数工程材料的应用至关重要，然而，从未在细胞质中进行过探测，因此限制了我们对活细胞内机械环境的理解。在循环载荷下，细胞质的这些复杂机械参数的表征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的见解，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;II:不可压缩粘弹性;第三:poro粘弹性;IV:可压缩粘弹性;V:不可压缩弹性;VI:未松弛孔隙弹性;VII:压缩弹性;VIII:连续机制不适用。

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;II:不可压缩粘弹性;第三:poro粘弹性;IV:可压缩粘弹性;V:不可压缩弹性;VI:未松弛孔隙弹性;VII:压缩弹性;VIII:连续机制不适用。

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