細胞感知并響應微環境的機械力學性能

隨著細胞力學行為相關研究的不斷深入，細胞與其微環境的物理力學聯系不斷被揭示。力學刺激與響應已被充分證明在微觀的細胞鋪展、遷移、增殖、分化等行為，以及宏觀的胚胎發育、組織形成、疾病發展等至關重要的生物過程中扮演決定性角色。與細胞力刺激相關的剛度、形貌、配體分布等物理性能也因此成為生物材料設計的重要參數。

細胞的黏附、遷移、增殖、分化、凋亡等功能均會受到力的調控，細胞能夠直接感應眾多物理力學刺激，包括微環境的剛度、形貌、黏附蛋白配體分布與動態行為等多種機械力學特性。這些力學信號令細胞作出一系列響應，不同彈性模量的基質不僅影響細胞鋪展黏附，還能誘導細胞命運抉擇；與機體組織模量相似的微環境界面，可誘導干細胞分化為相應組織的功能性細胞。

物理力學因素都是通過細胞力學響應機制被細胞所識別，微環境的化學成分也能通過細胞黏附蛋白而間接影響細胞力學響應。力學信號還與眾多生化因子調節信號通路有交叉協同作用，調控生化因子對細胞功能的調節功效。結合現代分子生物學、醫學技術與材料科學對細胞力學響應的深入研究將有助于更好地理解組織發育與疾病治療。

細胞內的力學響應

(1) 蛋白分子鏈(molecular clutch)的組裝；(2) 細胞力的產生與傳遞；(3) 生化因子信號的激活；(4) 力作用下的轉錄調控。以上細胞感應微環境機械力學特性, 并將其轉化為轉錄活性的過程統稱為力學信號轉導(mechanotransduction)。其中，包括機械力在細胞骨架與蛋白分子鏈的傳遞，以及轉導為生化因子信號激活轉錄子與轉錄調節子兩種方式。

細胞力學響應調控組織發育與疾病過程

人體各部位組織的力學性能各有差異，因此不同的組織給予細胞不同的物理力學刺激，激活細胞內多樣化的機械力轉導信號通路，令細胞功能與命運作出與組織機械力學特性相適應的響應。發育成熟的組織功能仍然依賴于微環境機械力學刺激。心血管疾病中, 動脈粥樣硬化是由于血管內皮細胞與平滑肌細胞受到過度的力學調控。與動脈粥樣硬化相似，眾多臟器的硬化也是典型受力學調控的疾病。

循環拉伸有助于細胞生長、分化

任何跑步者都會說在沙灘上跑步比在柏油路上跑步更具挑戰性。沙子的阻力意味著雙腳會陷入柔軟的表面，因此需要不斷適應不斷變化的表面，最終會消耗更多的能量來保持平衡和協調。同樣地，體內的細胞在堅硬的支撐層上生長與在柔軟的支撐層上生長時反應不同。通過機械轉導，細胞感知刺激并將其轉化為生化信號。細胞將通過調整它們的形狀和粘性來做出反應。