细胞生物力学

细胞在其生命周期中经常承受各种应力和应变。多年来人们一直认为：细胞和力学因素间的相互作用是人体组织和器官发挥正常功能的基础。但直到最近，人们才开始初步了解细胞响应力学刺激的生物力学和生物化学机制。很明显，力学因素不但可调节细胞的代谢，而且可影响骨关节炎、骨质疏松症的发生与发展。

细胞力学是一门交叉学科，它应用工程学和生命科学的原则和方法来探索正常和病变细胞的功能。早在1892年Julius Wolff就描述了骨小梁的结构和功能与所承受外力之间的关系，但直到100年后的今天，Wolff定律的科学内涵仍不清楚。最近20年来，由于工程学和生物科学的发展，细胞力学的研究已发生了革命性的进步。这种进步首先表现于研究手段和设备的创新，如由于采用了微吸管技术、光学捕获（激光镊子）、扫描探针显微镜等新技术，人们已可在皮牛顿（piconewton，10-12N）和纳米（nanometer，10-9m）水平研究细胞上的应力和变形，并于20世纪90年代促进了力学细胞生物学（mechanocytobiology）的迅速发展。而更精确的数学建模则得益于计算机技术的飞速发展。

目前的研究热点包括：细胞信号转导机制、细胞本身的力学行为和黏附特性、力学环境对细胞代谢的影响等。例如，有很多实验表明，对体外培养的成骨细胞或软骨细胞施加静水压、流体剪切压、细胞膜直接牵拉或化学渗透压，均可直接导致细胞的变形和细胞内基因表达方式、蛋白质分泌的改变。这些力学刺激信号可通过应变相关电位，诱发电力敏感性离子通道，或细胞骨架的变形，转变为化学信号，并进而影响细胞的发育、分化、增生和代谢活动。

细胞力学研究的目的是了解有机体内细胞功能与所承受外力的关系，特别关系到组织的生长、退变和再生。细胞力学与旨在再生病废组织的组织工程学在研究内容方面有许多重合之处。组织工程学研究是利用三种组织的基本成分：细胞、细胞外基质、调节因子中的一种或数种，在体外或体内重建组织的一种方法。种子细胞的体外或体内培养与扩增、可降解生物材料三维支架的设计和制备，是细胞／组织三维培养的两大决定因素。在培养和扩增过程中种子细胞可分化的多能性的保持，以及使其定向分化，长成具有特定功能的组织和器官的调控，不仅取决于细胞本身和生长因子（生化微环境），而且与种子细胞在培养过程中的力学环境有密切关系。至于生物材料支架的研制，更与生物力学原理息息相关。

骨和软骨细胞都是力学敏感性细胞，因此在组织工程学的研究中，可有意识地利用体外加载条件的变化，控制细胞的生长。较多研究发现，恒定的压力可抑制软骨细胞对基质蛋白的合成，而周期变化的压力可刺激合成。在0.01～1 Hz范围内，周变压力刺激软骨细胞合成胶原与蛋白多糖的作用较强，但高于或低于上述范围时刺激作用减弱甚至无作用。 Vunjok-Novakovic等利用一种细胞-聚合物-生物反应器系统，在体外形成接近正常软骨的成分（较高比例的蛋白多糖和胶原）、形态、力学性能（弹性模量、渗透性）和力电性能（流体电位）的软骨样组织。这种生物反应器能形成有利于组织生长的流体力学环境。细胞-聚合物悬浮在不断旋转的层流系统中，能对培养物施加流体压力，并可以不断更换培养液。值得注意的是，周变压力有可能促进多能干细胞向软骨细胞系分化，而恒定压力则无此作用。但进一步的研究尚有待于对应力-生长、力学-化学之间的量效关系有更深的认识。