细胞力学 - 从长凳到床边

所有细胞都会产生并响应机械力。已经解读了机械力在细胞生物学中的作用，但力量是我们在健康和疾病中生理学的基本组成部分。例如，它们参与了诸如心律失常，肌营养不良和转移性癌症的病理学。来自纽约布法罗大学的Frederick Sachs博士专注于机械敏感离子通道的性质和实时采用荧光和原子力显微镜在生物细胞中的性能。

机械力在我们感知环境的过程中起着重要的作用。我们的触觉依赖于施加在皮肤上的力量传递给机械敏感神经的能力，这些神经产生电信号并发送给大脑。我们的听觉显然依赖于机械力，因为耳蜗的感觉细胞探测到声压波产生的振动，并将信息传递给神经，然后再传递给大脑。神经的机械转导提供了许多不太特殊的感觉，如我们对心跳、呼吸、肌肉力量和关节位置的感觉。

所有这些感觉都是通过感觉感受器来实现的，这些感受器将神经系统中的机械力转化为电活动。然而，除了神经，身体中的每个细胞都对机械输入做出反应。来自纽约布法罗大学的弗雷德里克·萨克斯博士和他的合作者们展示了骨骼肌，例如运动器官的原型，它有对细胞变形作出反应的感觉受体。

能源
除了化学能和电能外，电池还利用机械力来供给电池内的能量。这三种刺激都有助于细胞对周围环境的更新。这些刺激触发活动多种生化途径参与细胞分化等过程,有丝分裂(细胞分裂),复合左旋肉碱(从一个地方迁移到另一个),细胞凋亡(细胞死亡),和体内平衡(保持一个平衡的因素,使一个细胞健康,尽管变化的环境)。这三个系统(机械系统、化学系统和电子系统)之间的交流对细胞和组织适应环境变化至关重要。化学和电子信号系统已经得到了很好的研究，但对机械力的作用却知之甚少，因为测量这些力的探针直到最近才被发现。

细胞已经演化了许多复杂的机械力的感知和转换机制。任何可变形的结构都可以用作机械传感器。除机械敏感的离子通道外，构成细胞骨架的结构蛋白可以改变生化过程。除了牢房检测机械应力的能力之外，它们还具有产生机械力的能力。

外生的机械刺激
外源性机械刺激源自周围环境，包括基材的机械性能：骨骼僵硬，脂肪柔软。拉伸细胞在延伸细胞上的基质，并改变细胞生长和分化。如果基板是硬质的，例如载玻片，则修饰细胞内的力以结合该刚度的效果。当用脑组织的弹性培养干细胞在软基板上培养时，细胞获取神经元特性，而当在刚性基板上培养时，它们会产生骨细胞的性质。

内生的机械刺激
运动蛋白的运动和细胞骨架的变形产生刺激。一种常见的变形刺激是由细胞质和细胞外间隙间可扩散物质的浓度差所产生的渗透压。这些浓度差异可以通过将水移出或移入细胞而使细胞收缩或扩张。虽然传统上认为细胞可以与渗透压气球膨胀细胞相比,萨克斯博士和他的团队表明,产生的能量渗透部队在三维空间的分布是整个细胞,因此,合理的海绵比较细胞力学力学。厨房里的海绵刚开始又小又硬，但当它被放入水中时，它会膨胀变软。水最初会流进海绵，因为海绵有足够的空间。海绵是被弹性纤维包围的充满水的区域。水的涌入填满了这些区域，拉伸了周围的纤维，提高了当地的水压。当这些流体域中的压力将流入的水击退时，水的流入就会停止。像海绵一样，细胞的细胞骨架由交联弹性纤维构成，其行为也类似。

由于机械感测器在调节生理活动方面的重要作用，机械感测器功能障碍可能会产生严重的后果。

运动蛋白产生的机械力属于动力蛋白、动力蛋白和肌凝蛋白三大类。这些蛋白质能够沿着细胞骨架纤维爬行，将化学能转化为机械力。它们在通过细胞质和细胞膜运输细胞内成分方面起主要作用。

Mechanosensors
大多数机械感测器是蛋白质，它们在受到压力时会改变形状。力敏离子通道(MSCs)是力敏传感器的一个典型例子。它们存在于所有类型的细胞中，在细胞膜上形成一个传导孔，可以随着压力而打开或关闭。这些通道通常是关闭的，但当受到压力时，它们会打开，允许离子流过它们并产生电流。

一些机械传感器将细胞外基质与细胞内细胞骨架联系起来。例如，称为整联蛋白的蛋白质可以激活调节基因表达，细胞骨架结构，细胞存活率和迁移的生物化学信号级联。机械刺激通过机械敏感性结构蛋白（例如山螯物质）递送，对张力敏感。当通过机械应力激活时，瞳孔与整合素结合并引起构象开关。该构象交换机影响整联蛋白的细胞外结构域以及其与细胞外基质相互作用的方式。已知这种力分布调节细胞粘附和迁移。

当mechanosensors功能障碍
由于机械感测器在调节生理活动中发挥的作用，机械感测器功能障碍可能会产生严重的后果。它们在肌营养不良、心律失常、高血压和转移性癌症中发挥重要作用。静息细胞在机械上是静止的，但病细胞是畸形的。例如，Sachs博士和他的团队研究了一种遗传性血液病——红细胞脱水导致贫血。干燥细胞症被追溯至名为压电1的MSC基因突变。萨克斯博士的团队描述了这些突变的分子特性，提出了这些通道在正常红细胞中起什么作用的问题。它们似乎增加了细胞的流动性，使它们更容易变形，并防止它们卡在小毛细血管中。

萨克斯博士和他的团队还在研究杜氏肌营养不良症，这是一种由肌营养不良蛋白(一种增强细胞膜的纤维蛋白)消耗引起的与性别有关的肌肉遗传疾病。营养不良蛋白的缺失导致机械应力转移到间充质干细胞所在的脂质双分子膜上。这些通道的激活可以让钙离子渗入细胞并激活酶，这些酶会吞噬各种肌肉蛋白质。研究小组发现，他们在狼蛛毒液中发现的一种肽GsMTx4可以抑制间质干细胞，并保护营养不良的小鼠。由于目前没有有效的药物治疗肌肉萎缩症，GsMTx4可能是一种潜在的人类疗法。GsMTx4的半衰期很长，所以不需要经常服用，只通过表面注射，简化了在家用药。与GsMTx4保护营养不良的骨骼肌的方式相同，它也保护心脏免受心脏病发作的损害，是一种有效的治疗心房颤动的药物，这与该药物只作用于病理紊乱的细胞的想法一致。这是一种很有前途的药物，只作用于病细胞，从而最大限度地减少副作用。

进一步的研究
萨克斯博士工作的另一部分包括实时测量细胞内力量。为了做到这一点，研究小组制作了基因编码的力敏感光学探针，并探索机械应力在结构蛋白(如肌动蛋白、光谱蛋白和肌动蛋白)中所起的作用。他们的一项研究表明，干细胞分化成特定的后代受到肌动蛋白纤维张力的强烈影响。压力探针在转基因动物中表达，使研究人员能够研究蛋白质力学在细胞、组织、器官和有机体中的作用。这为开发一类新药提供了可能性。