利用力學和物理學的研究可以預測壓力細胞的疾病

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

該團隊由機械與航空航天工程及生物醫(yī)學工程助理教授陳偉強和機械與航空航天工程行業(yè)助理教授Vittoria Flamini領銜，利用活細胞成像和新型微機械工具，對細胞施加瞬時局部物理壓力，同時測量動態(tài)抑制反應、細胞骨架(CSK)等細胞結(jié)構(gòu)和細胞能量張力。

這項名為“機械驅(qū)動細胞的能量介導的機械動力學”的研究將在《高級材料》上發(fā)表，該研究將詳細介紹該團隊如何測量機械應力和細胞能量，并將應力模式與型慢性病患者的細胞進行比較。糖尿病，允許他們建立糖尿病和其他疾病的預測模型。

為了研究細胞如何通過機械和能量相關的過程“重塑”外界刺激，研究團隊采用了陳研發(fā)的鑷子，利用超聲波脈沖和附著在細胞膜上的“微泡”——脈沖擾動氣泡——對細胞施加機械力。該團隊將血管肌肉測試細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量微柱基底的偏轉(zhuǎn)來量化操作期間的細胞力和能量。熒光顯微鏡使該團隊能夠直觀地監(jiān)控壓力如何重組CSK，尤其是其成分肌動蛋白和肌球蛋白，就像子午線鋼帶輪胎中的金屬纖維一樣。

利用實驗結(jié)果，該團隊建立了一個新的能量驅(qū)動細胞機器的生物物理模型，以了解細胞中的動態(tài)平衡。在這個過程中，細胞能量不僅提供自適應驅(qū)動力，還提供負反饋，幫助細胞系統(tǒng)重新穩(wěn)定。

“扭曲的能量模式和細胞不適應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。

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

弗拉米尼說：“能量平衡是健康的代表?！澳芰亢臀锢韰⑴c細胞行為；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，我們可以預測這一點?！?

她解釋說：“通過變化實現(xiàn)穩(wěn)定的能力是一種關鍵的生物適應，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€細胞中發(fā)生的。我們的研究為單細胞系統(tǒng)解決了這個問題，其中能量起著關鍵作用?！?

魏強補充說，“該團隊與NYU朗科健康的同事合作，專注于心血管疾病，因為它們與血管細胞的機械行為直接相關。例如，在動脈瘤中，炎癥會影響調(diào)節(jié)血管細胞彈性的蛋白質(zhì)。現(xiàn)在我們正在這樣研究疾病發(fā)展的機械力?！?

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