細(xì)胞是生命體最小、最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位。細(xì)胞生物學(xué)通過研究生理過程、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞與外環(huán)境的相互作用來闡明細(xì)胞功能，已成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究人類疾病的主要基礎(chǔ)科學(xué)。迄今，對(duì)細(xì)胞生物學(xué)中基本問題的研究幾乎都局限在生物化學(xué)范疇，主要通過分子和遺傳學(xué)方法進(jìn)行。病理過程可被視為生化信號(hào)傳遞的中斷，分子與細(xì)胞表面受體的結(jié)合能實(shí)現(xiàn)細(xì)胞外信號(hào)對(duì)細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)，基本細(xì)胞進(jìn)程如細(xì)胞分裂被認(rèn)為由多個(gè)生化事件驅(qū)使。因此，傳統(tǒng)細(xì)胞生物學(xué)的核心課程都非常重視生物化學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)的講授。

最近，在生物化學(xué)的分析背景下，人們對(duì)細(xì)胞功能和疾病的理解范式發(fā)生了轉(zhuǎn)變。特別是，通過理解機(jī)械力的作用，對(duì)不同細(xì)胞進(jìn)程及病理變化有了更為獨(dú)到的見解?？茖W(xué)的快速發(fā)展表明，力學(xué)現(xiàn)象對(duì)一些基本細(xì)胞進(jìn)程的正常運(yùn)作至關(guān)重要，力學(xué)載荷可以作為胞外信號(hào)來調(diào)節(jié)細(xì)胞功能。此外，危及人類健康的幾種主要疾病，如骨質(zhì)疏松癥、動(dòng)脈粥樣硬化和癌癥等，均與力學(xué)感知和（或）功能障礙有關(guān)。

細(xì)胞力學(xué)和人類疾病

在健康和疾病這兩方面，大部分人認(rèn)為生物醫(yī)學(xué)的本質(zhì)是生物或生物化學(xué)。這里當(dāng)然也有一些例外，比如骨折、軟組織創(chuàng)傷或手術(shù)修復(fù)時(shí)，在組織或者整體水平要考慮力學(xué)因素。此外，涉及力學(xué)的感覺器官如聽覺和觸覺時(shí)，力學(xué)敏感細(xì)胞的存在也不足為奇。反之，通常不認(rèn)為細(xì)胞力學(xué)與癌癥、瘧疾或病毒感染相關(guān)——然而它們的確是相關(guān)的。不僅如此，令人驚訝的是，很多人類疾患的原因在一定程度上都與細(xì)胞力學(xué)有關(guān)。

要理解人類健康和疾病，常常需要在細(xì)胞水平上理解生物力學(xué)和力學(xué)生物學(xué)，例如：

如果骨組織細(xì)胞沒有受到適當(dāng)?shù)牧W(xué)刺激，骨形成將停止，而骨吸收開始。因此，在長時(shí)間太空飛行失重下，即使采用嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練計(jì)劃，航天員也面臨著嚴(yán)重的骨丟失。

在冠狀動(dòng)脈疾病中，作用于內(nèi)皮細(xì)胞的流體剪切應(yīng)力在空間和時(shí)間上的變化與動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成有關(guān)。

骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制是力學(xué)載荷變化引起的軟骨細(xì)胞力學(xué)信號(hào)改變。

肺泡上皮細(xì)胞和氣道平滑肌細(xì)胞在呼吸過程中受到周期性拉伸力的調(diào)節(jié)，而空氣傳播的病原體引起的超敏反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的過度收縮，繼而導(dǎo)致哮喘發(fā)作。

感染可以由病毒傳遞外源性遺傳物質(zhì)機(jī)械性地破壞細(xì)胞膜而引起。這是一個(gè)重要的問題，如果我們可以像病毒一樣輕易地傳遞基因，就可以通過使細(xì)胞表達(dá)正確的序列（突變基因）從而治愈許多遺傳疾病。而細(xì)胞膜實(shí)際上是一個(gè)極好的力學(xué)屏障。

轉(zhuǎn)移性癌細(xì)胞必須能在組織中遷移并遠(yuǎn)距離附著以擴(kuò)散。某些癌癥似乎優(yōu)先轉(zhuǎn)移到特定部位仍然是一個(gè)謎。

力學(xué)刺激在傷口愈合期間調(diào)節(jié)成纖維細(xì)胞的行為。此外，“正?！眰诘挠虾桶毯劢M織的愈合之間存在差異。

現(xiàn)在已經(jīng)知道，力是調(diào)節(jié)成體細(xì)胞和胚胎干細(xì)胞組織特異性分化的關(guān)鍵因素。例如，在子宮內(nèi)，胚胎心臟并不需要泵血，因此認(rèn)為某些哺乳動(dòng)物胚胎心臟的跳動(dòng)更多地是為了心肌的塑造，而不是用于功能性泵血。

出生后，大腦發(fā)育和血管生成均涉及細(xì)胞與其周圍動(dòng)態(tài)力學(xué)環(huán)境的相互作用。

心血管疾病，如高血壓和心力衰竭，往往是由長期的力學(xué)因素引起的。事實(shí)上，心臟肥大是對(duì)力變化最常見的響應(yīng)之一。正常心臟肥大（運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生）與病理性肥大（疾病產(chǎn)生）之間的區(qū)別仍不清楚。

基本的細(xì)胞進(jìn)程，如膜運(yùn)輸、胞吞和胞吐（細(xì)胞吞噬或釋放物質(zhì)的方式）、微管組裝和解聚、肌動(dòng)蛋白聚合和解聚、細(xì)胞-基質(zhì)和細(xì)胞間黏附的動(dòng)力學(xué)、染色體分離、著絲粒動(dòng)力學(xué)（如細(xì)胞分裂過程中DNA 的運(yùn)動(dòng)）、胞質(zhì)蛋白和囊泡分類與轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞凋亡（細(xì)胞程序性死亡）、侵入（細(xì)胞運(yùn)動(dòng)到非正常位置）和分化（細(xì)胞分化成為具有特定功能的表型），都至少部分地受到力學(xué)調(diào)控。

接下來，我們將更詳細(xì)地描述其中的幾個(gè)實(shí)例。

骨細(xì)胞需要力刺激來維持骨骼健康

負(fù)荷對(duì)骨骼健康至關(guān)重要。事實(shí)上，維持骨骼健康的重要因素之一是接受正常的力學(xué)刺激。當(dāng)骨不負(fù)載時(shí)，骨將處于半廢用（如久坐）或完全廢用（如臥床或長期空間飛行）狀態(tài)。已證實(shí)，在這些極端的情況下，骨丟失每月可高達(dá)總骨量的1%～2%。即使不存在創(chuàng)傷或創(chuàng)傷可能較小時(shí)，骨折風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)提高。這些脆性骨折或骨質(zhì)疏松性骨折不僅會(huì)對(duì)個(gè)人造成傷害，也會(huì)引起公共健康問題，美國每年因此要花費(fèi)近幾十億美元。事實(shí)上，50 歲以上人群中，近一半的女性和超過四分之一的男性都發(fā)生過骨質(zhì)疏松性骨折。髖部骨折是骨量減少最嚴(yán)重的后果，對(duì)于大多數(shù)患者而言，這是病情從失去行動(dòng)能力、喪失獨(dú)立性、住進(jìn)醫(yī)院到繼發(fā)性疾病發(fā)病直至死亡的螺旋式惡化的第一步。令人震驚的是，在髖部骨折后1 年內(nèi)，50%的患者將無法獨(dú)立行走，25%將被送進(jìn)醫(yī)院，20%將會(huì)死亡。

好消息是，物理負(fù)荷將會(huì)減少骨質(zhì)流失，而某些運(yùn)動(dòng)效果比其他運(yùn)動(dòng)效果更好，芭蕾之所以比游泳好，可能是因?yàn)槠渖婕皼_擊負(fù)荷。事實(shí)上，有研究已經(jīng)表明高水平運(yùn)動(dòng)員的骨形成往往發(fā)生在運(yùn)動(dòng)時(shí)受負(fù)荷最大的區(qū)域。作為對(duì)人類健康至關(guān)重要，同時(shí)也是令人關(guān)切的科學(xué)問題，骨組織細(xì)胞（主要是骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞）通過協(xié)調(diào)細(xì)胞反應(yīng)來感知和響應(yīng)負(fù)荷的機(jī)制尚不清楚。有人提出，其感知機(jī)制可能涉及細(xì)胞骨架、黏著斑、黏著連接和膜通道，甚至膜本身的生物物理行為，確實(shí)有證據(jù)支持這些結(jié)構(gòu)及許多其他結(jié)構(gòu)都能感知力學(xué)信號(hào)，這樣一來，似乎存在多個(gè)細(xì)胞感受器，可能構(gòu)成一個(gè)冗余的系統(tǒng)。

肺部細(xì)胞感知牽張

在呼吸過程中，肺部組織會(huì)受到由基底膜膨脹和收縮引起的恒定振蕩應(yīng)力。這些力學(xué)信號(hào)被認(rèn)為在維持肺功能和形態(tài)中起著重要作用。牽張可調(diào)控肺上皮細(xì)胞的生長、細(xì)胞骨架的重塑，以及信號(hào)分子分泌和磷脂層。當(dāng)對(duì)患者實(shí)施肺部機(jī)械通氣時(shí)，肺部所受的力學(xué)載荷會(huì)增加，這種力學(xué)負(fù)荷變化引起的細(xì)胞功能改變所導(dǎo)致的生理后果尚不清楚。

病原體可以改變細(xì)胞的力學(xué)性能

瘧疾的發(fā)生是細(xì)胞水平上細(xì)微力學(xué)變化一個(gè)有趣的例子。瘧疾是因?yàn)橛晌米觽鞑サ募纳x（瘧原蟲）感染了紅細(xì)胞（RBC）。瘧原蟲一生的大部分時(shí)間都存在于紅細(xì)胞中，因此通?？梢远惚苊庖呦到y(tǒng)的攻擊。由于被感染的紅細(xì)胞可以被脾臟破壞，因此寄生蟲通過誘導(dǎo)紅細(xì)胞膜上表面黏附蛋白的表達(dá)，使被感染的紅細(xì)胞黏性增加，使得紅細(xì)胞可以黏附于血管壁上而避免被脾臟過濾清除。由于這類瘧疾表面蛋白有許多種變異，因此免疫系統(tǒng)適應(yīng)和清除這些被感染紅細(xì)胞的速度很慢?？梢栽O(shè)想，附著力的改變是很巧妙的，細(xì)胞會(huì)變得稍微黏一些，但不會(huì)過黏而導(dǎo)致血液凝固。實(shí)際上，紅細(xì)胞的黏性增強(qiáng)產(chǎn)生的一種結(jié)果是紅細(xì)胞偶爾會(huì)在小血管中聚集，導(dǎo)致出血。

其他病原體可以利用細(xì)胞的力學(xué)結(jié)構(gòu)來獲得優(yōu)勢(shì)

李斯特氏菌屬的細(xì)菌同樣通過隱藏在細(xì)胞內(nèi)來逃避免疫系統(tǒng)的攻擊。為了侵入其他細(xì)胞，這種細(xì)菌占據(jù)了細(xì)胞的部分肌動(dòng)蛋白結(jié)構(gòu)（細(xì)胞骨架的一部分）。肌動(dòng)蛋白在細(xì)胞內(nèi)聚合形成纖維，用來形成細(xì)胞骨架和錨定位點(diǎn)。細(xì)菌“坐”在生長的肌動(dòng)蛋白聚合物的頂端，等待聚合物生長到足夠長時(shí)將細(xì)菌推出細(xì)胞并進(jìn)入相鄰細(xì)胞。一旦宿主受到感染，細(xì)菌便可以擴(kuò)散到宿主的整個(gè)身體，而不會(huì)暴露于免疫系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這一過程，細(xì)菌必須有足夠的力來突破兩層細(xì)胞膜，而且其必須要“知道”坐在肌動(dòng)蛋白絲的哪個(gè)位置才能被推動(dòng)。這是分子機(jī)器合成領(lǐng)域被活躍研究的一個(gè)例證。

一本細(xì)胞生物力學(xué)領(lǐng)域的綜合教學(xué)工具書

近年來，力學(xué)信號(hào)被普遍認(rèn)為是諸多生物過程正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。由此，一個(gè)把力學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)結(jié)合在一起的新學(xué)科出現(xiàn)了，即細(xì)胞力學(xué)生物學(xué)，它涉及細(xì)胞生物學(xué)中力的產(chǎn)生、傳導(dǎo)、感知，并使細(xì)胞功能發(fā)生改變的方方面面。細(xì)胞力學(xué)生物學(xué)的研究將細(xì)胞生物學(xué)和生物化學(xué)與多個(gè)力學(xué)學(xué)科聯(lián)系起來了，包括固體力學(xué)、流體力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、實(shí)驗(yàn)力學(xué)和計(jì)算力學(xué)。

▲ 用拉普拉斯定律分析微吸管吸吮實(shí)驗(yàn)的物理量示意圖。微吸管吸吮實(shí)驗(yàn)是一種非常通用的測(cè)量細(xì)胞膜特性的技術(shù)，它可以施加很大范圍的力，并且有利于力學(xué)分析。除了用來檢測(cè)細(xì)胞膜的力學(xué)性質(zhì)，微吸管吸吮技術(shù)在理解細(xì)胞力學(xué)中還具有更重要的作用，因?yàn)樗鼈兛梢宰屓藗內(nèi)菀椎赜^察不同類型細(xì)胞的基本力學(xué)行為。利用微吸管吸吮技術(shù)，人們提出了一些關(guān)于細(xì)胞行為重要而令人稱奇的見解。

細(xì)胞力學(xué)生物學(xué)試圖揭示力學(xué)感知或改變細(xì)胞功能的原理，而《細(xì)胞力學(xué)及力學(xué)生物學(xué)》[（美）克里斯托弗·雷·雅各布斯等著；孫聯(lián)文，楊肖，吳欣童主譯. 北京：科學(xué)出版社，2023.2]是一本綜合了細(xì)胞力學(xué)及力學(xué)生物學(xué)的著作，旨在為多種學(xué)科背景的學(xué)生介紹組織與細(xì)胞行為的物理和力學(xué)原理。

本書源于原著者在斯坦福大學(xué)開設(shè)的細(xì)胞生物力學(xué)課程，后經(jīng)多次整理、編撰而成，已應(yīng)用于世界各地多所高校。本書綜合了細(xì)胞力學(xué)及力學(xué)生物學(xué)所廣泛涉及的必要主題，將力學(xué)帶入細(xì)胞生物學(xué)，闡述組織細(xì)胞行為的物理和力學(xué)原理，定量描述細(xì)胞檢測(cè)、修飾，以及細(xì)胞對(duì)所處環(huán)境物理特性的響應(yīng)。本書分為第一部分原理和第二部分應(yīng)用兩部分。在前幾章中介紹了固體力學(xué)、流體力學(xué)及統(tǒng)計(jì)力學(xué)為先導(dǎo)內(nèi)容，后面章節(jié)內(nèi)容主要包括單分子聚合物力學(xué)、聚合物網(wǎng)絡(luò)力學(xué)、二維細(xì)胞膜力學(xué)、全細(xì)胞力學(xué)及力學(xué)生物學(xué)。

本書可作為生物醫(yī)學(xué)工程、生命科學(xué)及相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生和低年級(jí)研究生的教材或參考書，也可供對(duì)細(xì)胞力學(xué)生物學(xué)感興趣的研究人員參考。

本文摘編自《細(xì)胞力學(xué)及力學(xué)生物學(xué)》[（美）克里斯托弗·雷·雅各布斯等著；孫聯(lián)文，楊肖，吳欣童主譯. 北京：科學(xué)出版社，2023.2]一書“第1 章 細(xì)胞力學(xué)概述”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

ISBN 978-7-03-074583-5

責(zé)任編輯：劉 暢 韓書云

（本文編輯：劉四旦）

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