利用力學(xué)和物理學(xué)的研究可以預(yù)測(cè)壓力細(xì)胞的疾病

紐約布魯克林，2019年8月19日星期一——紐約大學(xué)坦登工程學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新方法，通過將機(jī)械工程和物理原理應(yīng)用于現(xiàn)在已經(jīng)很好理解的過程，來識(shí)別單個(gè)細(xì)胞的狀態(tài)。宏觀，但還不是細(xì)胞層面：損傷、疾病等應(yīng)激因素如何迫使生物體進(jìn)入新的平衡層面——尋找一種被稱為動(dòng)態(tài)平衡“新常態(tài)”的生物過程。研究者的研究成果對(duì)高血壓、糖尿病等慢性疾病的診斷和分期具有重要意義。

該團(tuán)隊(duì)由機(jī)械與航空航天工程及生物醫(yī)學(xué)工程助理教授陳偉強(qiáng)和機(jī)械與航空航天工程行業(yè)助理教授Vittoria Flamini領(lǐng)銜，利用活細(xì)胞成像和新型微機(jī)械工具，對(duì)細(xì)胞施加瞬時(shí)局部物理壓力，同時(shí)測(cè)量動(dòng)態(tài)抑制反應(yīng)、細(xì)胞骨架(CSK)等細(xì)胞結(jié)構(gòu)和細(xì)胞能量張力。

這項(xiàng)名為“機(jī)械驅(qū)動(dòng)細(xì)胞的能量介導(dǎo)的機(jī)械動(dòng)力學(xué)”的研究將在《高級(jí)材料》上發(fā)表，該研究將詳細(xì)介紹該團(tuán)隊(duì)如何測(cè)量機(jī)械應(yīng)力和細(xì)胞能量，并將應(yīng)力模式與型慢性病患者的細(xì)胞進(jìn)行比較。糖尿病，允許他們建立糖尿病和其他疾病的預(yù)測(cè)模型。

為了研究細(xì)胞如何通過機(jī)械和能量相關(guān)的過程“重塑”外界刺激，研究團(tuán)隊(duì)采用了陳研發(fā)的鑷子，利用超聲波脈沖和附著在細(xì)胞膜上的“微泡”——脈沖擾動(dòng)氣泡——對(duì)細(xì)胞施加機(jī)械力。該團(tuán)隊(duì)將血管肌肉測(cè)試細(xì)胞嵌入含有彈性聚二甲基硅氧烷(PDMS)微柱的基質(zhì)中。這種布置允許他們通過測(cè)量微柱基底的偏轉(zhuǎn)來量化操作期間的細(xì)胞力和能量。熒光顯微鏡使該團(tuán)隊(duì)能夠直觀地監(jiān)控壓力如何重組CSK，尤其是其成分肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白，就像子午線鋼帶輪胎中的金屬纖維一樣。

利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)新的能量驅(qū)動(dòng)細(xì)胞機(jī)器的生物物理模型，以了解細(xì)胞中的動(dòng)態(tài)平衡。在這個(gè)過程中，細(xì)胞能量不僅提供自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)力，還提供負(fù)反饋，幫助細(xì)胞系統(tǒng)重新穩(wěn)定。

“扭曲的能量模式和細(xì)胞不適應(yīng)可能表明健康狀況已經(jīng)變成了一種病態(tài)環(huán)境，比如糖尿病、高血壓或衰老，”陳說。

在引入細(xì)胞產(chǎn)生特定功能障礙的細(xì)胞模型(即疾病表型)之前、期間和之后，研究人員測(cè)試了四種CSK張力、肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白以及凈能量的表現(xiàn)。例如，在這種模式下，作為肌動(dòng)蛋白纖維的細(xì)胞CSK結(jié)構(gòu)的破壞會(huì)導(dǎo)致弱適應(yīng)過程，這可以揭示病理狀況，例如糖尿病，而細(xì)胞中肌動(dòng)蛋白聚合的過度活性會(huì)導(dǎo)致“長(zhǎng)時(shí)間興奮”或“低反應(yīng)性”，而沒有“關(guān)閉”時(shí)間。高血壓及其他疾病的擾動(dòng)。

弗拉米尼說：“能量平衡是健康的代表。“能量和物理參與細(xì)胞行為；概念證明是能源模型如何看待不同的條件。我們已經(jīng)證明，我們可以預(yù)測(cè)這一點(diǎn)。”

她解釋說：“通過變化實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的能力是一種關(guān)鍵的生物適應(yīng)，使生物體能夠穩(wěn)定內(nèi)部和外部環(huán)境的變化?！叭欢胁磺宄侨绾卧趩蝹€(gè)細(xì)胞中發(fā)生的。我們的研究為單細(xì)胞系統(tǒng)解決了這個(gè)問題，其中能量起著關(guān)鍵作用?！?

魏強(qiáng)補(bǔ)充說，“該團(tuán)隊(duì)與NYU朗科健康的同事合作，專注于心血管疾病，因?yàn)樗鼈兣c血管細(xì)胞的機(jī)械行為直接相關(guān)。例如，在動(dòng)脈瘤中，炎癥會(huì)影響調(diào)節(jié)血管細(xì)胞彈性的蛋白質(zhì)。現(xiàn)在我們正在這樣研究疾病發(fā)展的機(jī)械力?！?

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