力是使物體變形,、運動和/或改變運動狀態(tài)的機械作用。機體處于力學環(huán)境之中，機體的各項生命活動均受力學因素的影響,。力不僅誘導機體組織細胞生變形效應和/或運動效應，而且可引發(fā)復雜的生理功能改變,。生物力學(biomechanics)是研究生命體變形和運動的學科,，通過生物學與力學原理方法的有機結(jié)合，認識生命過程的規(guī)律,，解決生命與健康領域的科學問題,。上世紀90年代以來，隨著科學技術的進步,，生物力學的研究逐漸深入到細胞分子層次,，生物力學自身也在不斷發(fā)展,。
 

　　力學生物學(mechanobiology)就是生物力學的一個新興的多學科領域，主要包括肌細胞和發(fā)育生物學,、生物工程和生物物理學,。力學生物學主要通過研究力學環(huán)境對生物體健康、疾病或損傷的影響,，闡明力與機體發(fā)育,、生長、重建,、適應性變化和修復等的相互關系,，從而促進病理機制的研究和發(fā)展有效的治療策略。力學生物學的研究重心側(cè)重于機械力調(diào)控組織的形態(tài)和結(jié)構(gòu)變化過程,，即組織如何通過細胞對力學刺激產(chǎn)生反饋,，維持形態(tài)結(jié)構(gòu)并適應環(huán)境。研究的問題主要涉及力學刺激信號,、信號傳導通路和細胞受力后的反應過程三大部分的內(nèi)容,。
 

　　生物體內(nèi)的細胞生長在復雜的三維基質(zhì)結(jié)構(gòu)中，外界力學作用通過基質(zhì)傳導至細胞各處,，刺激細胞功能,，進而影響組織生長和重建。力學刺激( 如壓力,、拉力,、剪切力等)在調(diào)節(jié)細胞行為中發(fā)揮重要作用，通過研究細胞的力學響應規(guī)律可以為疾病治療提供參考,?？茖W技術的發(fā)展使得物理力的測量和力學感受器如何跨結(jié)構(gòu)感知和響應物理力等的研究成為可能。新的實驗工具和理論模型在科研領域的結(jié)合應用,，使得力學刺激對機體組織器官代謝和功能的影響進一步被研究,。近年來，研究人員清楚的認識到,，機械力在器官形成過程中促進和調(diào)控關鍵的細胞過程,。這類機械調(diào)節(jié)通過細胞與ECM的相互作用、細胞骨架張力形成,、細胞間的連接等復雜的機械信號感知其所在的物理微環(huán)境,，并伴隨產(chǎn)生肌肉神經(jīng)活動、細胞增殖,、分化,、凋亡和遷移等生物化學改變來調(diào)節(jié)其在組織中的行為。盡管不同的細胞類型機械轉(zhuǎn)導的表現(xiàn)形式有很大的區(qū)別,，但其潛在的細胞和分子機制基本一致,。幾乎每一種蛋白都以使其自由能最小化的構(gòu)象存在,，施加在蛋白上的外力會改變其能量平衡導致蛋白構(gòu)象改變從而改變其活性，因此,，任何在細胞結(jié)構(gòu)中受到力的作用的蛋白質(zhì)都有可能成為機械傳感器,。機械敏感蛋白位于質(zhì)膜的拉伸激活離子通道，拉伸激活的離子通道并不單獨起作用,，而是與肌動蛋白和微管細胞骨架協(xié)同發(fā)揮作用,。細胞質(zhì)膜不僅會受到剪切流等外力的影響，還會受到細胞骨架聚合,、滲透壓等內(nèi)力的影響,。細胞與細胞或ECM的連接，構(gòu)成了細胞機械轉(zhuǎn)導的平臺,。機械應力可以轉(zhuǎn)化為與器官發(fā)生的遺傳程序相結(jié)合的信號,，在胚胎發(fā)育、成體內(nèi)穩(wěn)態(tài)和組織器官再生過程中發(fā)揮重要作用,。細胞通過將機械刺激轉(zhuǎn)化為生化信號來對物理環(huán)境變化做出反應,，細胞在二維或三維組織環(huán)境中不斷感知其所在的物理微環(huán)境，調(diào)節(jié)細胞分化和運動等在組織中的行為,，進而調(diào)節(jié)細胞功能,。這種傳感需要復雜的機械信號機制，包括細胞與ECM的相互作用和細胞間的連接,。目前,，體外細胞加載的主要方式有流體剪切加載、離心加載,、基底形變加載和真空負壓加載。其中,，基底形變加載方式適用于各種貼壁細胞的體外力學實驗,，是目前一種重要的實驗方法。此類儀器的基本原理為: 將細胞接種于柔性培養(yǎng)腔室內(nèi),，進而通過機械裝置對依附腔室底面的細胞進行間接應變刺激,。加載過程中需置于培養(yǎng)箱內(nèi)以保證細胞適宜的生長環(huán)境。
 

書房
 

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