細胞粘彈性:從生物物理基礎到疾病標志物的應用

背景知識:粘彈性是指材料在受到力的作用時,表現出既有彈性又有粘性的特性。這種特性在生物系統中非常普遍,對于理解細胞和組織的力學行為至關重要。文章指出,粘彈性不僅影響細胞的形態和運動,還與細胞的生長、組織穩態以及疾病的進展密切相關。
研究方法:文章綜述了多種用于分析細胞粘彈性的生物物理技術,包括原子力顯微鏡(AFM)、流體拉伸裝置、光學細胞拉伸器、磁鑷、微流變學、磁共振彈性成像(MRE)、微 pipette 吸附和單軸拉伸流變儀等。這些技術各有優勢和局限性,適用于不同的模型系統(如單細胞、細胞簇、類器官和組織樣本)。特別提到了定量相位成像(QPI)和定量相位流變學(QPR)作為一種新型的、非接觸式的測量技術,可以用于分析細胞的粘彈性特性。

實驗結果與關鍵結論:
1.細胞和組織的粘彈性特性是其基本的生物物理屬性,影響包括形態、分裂和運動在內的多種單細胞特性,并且在組織水平上參與集體形態發生事件,如組織折疊、擴散、傷口修復和遷移。
2.細胞的粘彈性特性主要由細胞骨架決定,而細胞骨架的動態重組對于細胞對機械力的響應至關重要。文章詳細討論了細胞骨架成分(如微管、肌動蛋白絲和中間絲)對粘彈性的影響。
圖2。細胞成分(如細胞核、細胞骨架)的可能粘彈性特征,它們通過機械轉導過程與周圍環境(如結締組織的細胞外基質支架)的粘彈性特性相互作用
3.細胞粘彈性在癌癥侵襲和轉移中扮演重要角色。例如,侵襲性癌細胞表現出比非侵襲性癌細胞更柔軟的特性,并且能夠根據基質硬度調整自身的機械特性。
4.細胞粘彈性與細胞的遷移模式密切相關。文章提出了“細胞外推型遷移”的概念,強調了細胞外推力在細胞遷移中的作用,并利用光學鑷子實驗揭示了細胞外推的粘彈性特性。

圖3。單細胞遷移的特征
分子機制:文章深入探討了細胞粘彈性的分子基礎,包括細胞外基質與細胞間的相互作用、整合素和鈣黏蛋白在細胞粘著斑和粘著連接中的作用,以及這些結構如何響應機械力。特別強調了機械力如何通過影響蛋白質的構象變化來調節細胞的生化信號傳導。
疾病相關性:文章討論了粘彈性在多種疾病中的變化,如癌癥、纖維化和炎癥。指出癌細胞在侵襲和轉移過程中會經歷顯著的機械特性變化,這些變化與細胞的粘彈性密切相關。此外,文章還提到,在纖維化和炎癥等疾病中,細胞和組織的粘彈性也會發生改變,這些改變可能影響疾病的進展和治療效果。

圖4。癌癥轉移基于一系列準確調控和順序進行的事件。
未來展望:文章最后提出,未來的研究需要進一步探索粘彈性在不同時間和長度尺度上的作用,以及如何將粘彈性作為生物標志物應用于疾病的診斷和治療。同時,文章呼吁對不同生物物理技術進行比較研究,以制定統一的粘彈性測量標準和方法。
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