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2009年1月杂志俱乐部主题:细胞力学的动力
欢迎来到2009年1月号。这个问题涉及细胞力学的重要讨论。研究细胞力学的迫切需要是由组织工程的基本目标驱动的，即制造组织工程构建物，可以模拟组织再生的环境，有可能取代受损器官的生物功能。现在在世界范围内都有活动在体外再生组织，包括神经、肝脏、骨骼、心脏瓣膜、血管和肾脏。
正如我们所知，细胞是高度动态的:它们行走、改变形状和分裂。对细胞结构和力学的批判性理解对于阐明从粘附到增殖和分化的许多细胞功能至关重要。在过去的十年中，细胞力学的研究迅速兴起，这一进展提高了以高强度和位移分辨率探测活细胞的能力，也提高了观察和操纵细胞结构的能力。这样的发展为细胞力学领域做更好的实验和建模与模拟提供了机会。细胞对机械力的反应与组织生理学和病理学密切相关。然而，目前尚不清楚细胞如何对机械力作出反应并将其转化为生物反应，反之亦然。细胞(特别是真核细胞)的高度动态和复杂的结构，以及它们的结构在机械力的作用下发生的巨大变化，使这个问题进一步复杂化。在过去的几十年里，人们通过各种实验工具和理论方法进行了各种研究，以理解细胞力学。
生物材料的细胞和分子力学最近得到了综述鲍和苏雷什(2003)．细胞的机械负荷对其在生理环境中的正常功能至关重要，否则会导致病变状态。近年来，研究活细胞力学行为的实验技术如原子力显微镜(AFM)、磁扭转细胞术(MTC)、光阱、微移液法等已得到了广泛的发展。在过去的十年中，使用点探针，在拉伸或压缩，纯剪切，扭曲或这些模式的组合中研究了细胞变形。大多数用于探测细胞的技术假设细胞的行为像弹性固体，因为细胞骨架结构坚固，提供了细胞的结构完整性。
需要注意的是，细胞内部由液相(细胞质)、细胞核、由微管网络、肌动蛋白和中间丝组成的细胞骨架、不同大小和形状的细胞器和其他蛋白质组成。这意味着细胞可以表现为弹性/塑性/粘弹性，或它们的组合。细胞的动态和复杂的结构使得很难区分每种变形模式的贡献，即弹性/塑性/粘弹性。另一个问题是:如何量化胞内亚胞构件之间的力分布，并得到各胞构件的力学性能?对细胞的任何机械扰动都会产生生化信号，例如细胞可能发生重塑或重组。这就提出了一个基本问题:用机械力来研究活细胞的细胞力学是否可能?还有一个迫切需要确定单细胞的本构行为，例如，包括应力-应变关系和时间相关变量来评估细胞的粘弹性行为。这可能有助于更好地理解细胞的机制。
“生物材料的细胞与分子力学”，《自然科学》第2卷第1期，2003。
细胞对基底刚度的响应:
在上皮细胞和成纤维细胞中，使用不同硬度的配体包被凝胶，首次报道了细胞对底物硬度的反应(Pelham and Yang, 1997)。上皮细胞在较硬的基质上的附着性较好，这是由它们的扩散和细胞骨架组织所揭示的。软的、轻度交联的凝胶(E~ 1kPa)表现出动态的黏附复合物。而在E ~ 30 ~ 100 kPa的硬性凝胶上，细胞表现出稳定和静态的黏附。在许多此类研究中，将玻璃或标准细胞培养塑料(相对坚硬)上的细胞反应与更柔韧的材料(如凝胶)进行比较。这种基础研究可用于肿瘤细胞的研究、组织修复策略和疾病检测。对于理解底物硬度对细胞粘附的影响背后的基础科学，这项研究是非常有意义的。
D. E. Discher, P. Janmey, and Y-L Wang:“组织细胞对基质硬度的感觉和反应”，Science 310, 1139, 2005。
从上面的讨论继续下去，我们还需要考虑到，大多数这类研究都是在使用亚融合细胞培养基质的单细胞上进行的。在生理环境中，细胞之间没有很好的分离，因此组织水平的反应更为常见。在这里，细胞- ecm相互作用在影响各种细胞过程中起着重要作用。应考虑到ECM微环境的作用。
模拟细胞力学特性的:
我们想到的另一个具有挑战性的问题是，大多数2D基板被使用，例如玻璃，组织培养聚苯乙烯或软凝胶，问题是它们在人体三维生理环境中与不同类型的活组织的机械特性有多相似，为什么只有刚度，基材的物理特性/表面化学或地形如何?
对于心肌组织工程来说，关键是设计3D心脏组织，最终可以用于修复体内受损的心脏组织，测试新药，研究心脏细胞的发育和功能。理论上，它可以创造出一个完整的心脏。在它实现之前，有潜在的挑战，必须通过严格的研究调查来解决。开发用于心肌修复的组织工程移植物的主要挑战是找到三维(3D)支架与新仿生组织形成的结构和机械相容性。
最近，麻省理工学院的兰格博士和弗里德博士的团队在《自然材料》(2008年12月)上发表了一篇非常有趣的文章，题为“心脏各向异性组织工程中的手风琴状蜂巢”。在他们的研究工作中，他们设计了一种新型的仿生3D支架，由可生物降解的聚合物(聚甘油脂酸酯)制成，具有手风琴状的蜂窝结构，并推断这些支架材料可以模仿天然心肌细胞各向异性的力学特性，提供了较低的抗收缩能力，也可以在生理环境下提供引导心肌细胞的结构能力。
Engelmayr等人(2008)由于成年大鼠右心室心肌比左心室心肌具有更强的各向异性和顺应性，他们将研究重点放在了右心室心肌上。他们设想，右心室心肌移植具有生长、再生和重塑的潜力，可以修复先天性听力缺陷。值得赞赏的是，此类研究为组织工程中的一些潜在问题提供了答案，即根据本工作的主要结论:蜂窝状手风琴支架通过密切模仿成年大鼠右心室心肌各向异性的力学特性，同时促进培养的新生心肌细胞在没有外界刺激的情况下的优先取向，有可能克服心肌组织工程支架在结构和力学完整性方面的主要挑战。
郑明辉，陈志强，陈志强，陈志强，陈志强，陈志强，陈志强，陈志强，陈志强，陈志强，陈志强，陈志强，陈志强，陈志强。
迄今为止对细胞力学的研究可能为更好地理解胚胎和组织再生过程中细胞间相互作用的力学敏感性奠定了基础。然而，在我们真正实现组织工程的目标之前，包括细胞力学在内的各种细胞过程在组织再生中的作用需要更好地理解。
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单个细胞的物质常数
嗨，罗希特和志刚，
谢谢你帮忙解决发帖问题。为了回应罗希特在我博客上的评论，我想讨论一些关于单细胞材料常数的挑战。
这一领域的一个问题是，基于流行的建模技术推导出的材料常数有很大的局限性。采用结合简单本构模型的简单解析模型推导了单细胞材料参数。例如，在AFM实验中使用了线性弹性赫兹模型，在微移液抽吸中使用了线性弹性半空间模型(Sato et al.，1990)。然而，随着有限元技术的发展，更复杂的有限元模型，包括大应变，粘弹性本构材料模型已被用于解释单细胞的力学测试结果(Vaziri和Mofrad, 2007;Vaziri et al, 2007)．
基于有限元模型推导的材料常数考虑了材料的大应变、粘弹性等复杂行为，比基于解析模型推导的材料常数更能真实地反映胞体的力学性能(Baaijens et al, 2005)。然而，即使具有这些复杂的材料特性，有限元模型仍然无法模拟细胞的活性成分和离散的细胞骨架成分。后一种限制是由有限元模型固有的连续介质方法引起的。相信随着建模技术的发展，将揭示出更“真实”的单细胞力学特性。然而，在这个阶段，基于流行的建模技术得出的力学性能的局限性仍然很明显。
除了单细胞力学的“长期”目标，实际上，生物医学研究界仍处于从解析模型到有限元模型的过渡阶段，基于有限元模型推导出的材料性能甚至尚未得到广泛认可。在我们的一项研究中发现，使用解析模型得到的材料常数与使用有限元模型得到的材料常数存在显著差异(Zhao et al .， 2008)。然而，这一概念尚未得到广泛认可，许多生物医学工程的最新出版物仍然使用分析模型(Dahl et al .， 2005;Merryman et al, 2006)．在生物医学研究界造成这种反应滞后的原因之一是该领域的研究人员并非都具有有限元分析的专业知识，因此很难将有限元分析应用于每一项研究。另一个原因是在比较不同病理状态下细胞力学性能的研究中，基于解析模型推导出的材料常数可以做到(Trickey et al, 2000)．没有必要使用基于有限元模型的推导结果进行比较。FE模型要成为生物医学研究的标准工具还有很长的路要走。
单细胞材料常数的另一个问题是，除了细胞力学之外，材料常数的绝对值还没有成为研究领域的关键参数。单细胞的绝对刚度或粘弹性在细胞- ecm相互作用中起重要作用。然而，在组织工程或微装置的研究中，很少有人在设计组织支架或微装置时考虑到这些绝对值。组织工程的部分原因是，由于许多组织类型的ECM具有多孔性，单个细胞对组织力学性能的贡献不是很显著(Merryman et al, 2006)．考虑到细胞-组织机械相互作用和细胞-装置机械相互作用的主题需要进一步探索。
参考文献
张建军，张建军，张建军，张建军。微移管技术在猪主动脉内皮细胞粘弹性测定中的应用。中国生物医学工程学报(英文版);2009;31(3):663 - 668。
Baaijens F.P.T, Trickey W.R, Laursen T.A, Guilak F. 2005，“微吸管吸进的大变形有限元分析确定软骨细胞的力学性能，”Ann。生物。Eng;第33卷，494-501页。
瓦齐里，A.，莫弗拉德，M. R. K.(2007)。微管吸吸实验中核的力学和变形。生物力学学报，40(2):553 - 562。
薛志强，李志强，李志强，软玻璃材料的幂律流变性能研究，力学与工程学报。方法:。动力机械。工程学报，1997,20 (3):559 - 561
Kris Noel Dahl, Adam J.Engler, J.David Pajerowski, Dennis E. Discher，核子亚结构的幂律流变学，生物物理学报，2005,vol . 89, 2855-2864
王晓明，王晓明，王晓明，王晓明，心脏瓣膜间质细胞刚度与瓣膜内压力的相关性研究，中华心脏医学杂志，2006,31(2):334 - 334。
李国明，张建军，张建军。2000，“骨关节炎患者软骨细胞的粘弹性特性研究”，中华骨科杂志，第18卷，第891-898页。
赵，r.g.， Wyss, K, Simmons。2008年c.a。三种材料模型的比较，以预测单个细胞在微移液管吸吸下随时间变化的变形。ASME 2008夏季生物工程会议论文集，6月25-29日，美国佛罗里达州马可岛
黄晓颖，黄晓颖，黄晓颖，黄晓颖，黄晓颖，黄晓颖，黄晓颖，黄晓颖，黄晓颖，黄晓颖，黄晓颖，黄晓颖，黄晓颖，黄晓颖，黄晓颖
回复:包括参考资料
嗨,赵,
很高兴接到你的电话。就读者的理解而言，这并不明显是你的观点或你必须确定的重要论文的贡献。如有需要，请注明参考资料。
例如，您提到ECM在许多组织类型中的多孔性，我们在这里需要一个参考，哪种组织类型……？并引用重要的参考文献。有限元建模。
在讨论ECM时，重要的是要提到哪种组织类型，在合成3d多孔支架时，许多因素起作用，如微观结构，材料的生物降解性，力学性能，孔隙率等，这些因素在有限元模型或任何其他建模中都更加复杂。就实验而言，试验过程中组织的水化状态也很重要。你能否更具体地介绍一下目前所掌握的情况?没有参考资料，你的文章看起来太笼统了。
谢谢
参考了
嗨罗希特,
谢谢你对参考资料的建议。我应该在讨论中包括参考文献。我已经更新了我的帖子，增加了参考资料。
我对细胞硬度和组织硬度之间的关系的陈述是在心脏瓣膜小叶组织方面。我引用的论文讨论了化学刺激对瓣膜小叶组织弯曲刚度造成的瓣膜细胞收缩性。然而，细胞在静息状态和受激状态下的刚度值与组织刚度没有明显的相关性。在他们的结论中，作者推测瓣膜细胞对瓣膜功能生物力学的力学贡献可以忽略不计，瓣膜细胞力学性能的变化更多地与局部力学环境有关，我同意这一点。
顺便说一下，我在讨论中的观点只是基于我在这个领域的知识。我想听听大家的意见，就这些话题交换意见。
再保险:
嗨Ruogang:
很高兴收到你的来信。很抱歉，我对你的具体话题不是专家。让我们看看是否有人从imechanica社区可以回万博manbetx平台答你的评论，并与你分享想法。
关于细胞行为/力学的文献是如此之多，取决于
细胞类型。不可能既知道一切又在场
你可能喜欢讨论的每件事的观点!
谢谢