细胞与机械力的作用 3116037001

2.周期性拉伸基底法
• 利用细胞在培养时的贴壁性，将细胞在可延伸的 基底上培养 ，然后周期性地拉伸基底，从而对细 胞产生周期性的拉伸力。
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3.流体剪切力加载装置
• 平行平板流动式是常用的一种流体剪切力加载装置，该装 置是一个高度远小于横向宽度和纵向长度的扁平流动腔室， 由不同高度的静水压提供恒定的剪切力，或由激活泵提供 瞬态剪切力使流入管和流出管之间产生压差，使流动室内 的细胞受到均匀或脉冲的剪切力作用。
• 细胞与细胞之间会通过粘 性接触后，进行动态地信 号交换等相互作用（包括 生物化学信号和生物物理 信号等）。在这些细胞结 合的突触上。一些微米级 的细胞化学反应和细胞内 的细胞骨架运动都会打破 细胞张力等机械力的平衡。
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•研究机械力对生物体的作用，无论在理论上还是应用上都有 相当的意义。 •在理论上力信号的转导及其机制是一个不同于传统生化信号 转导的领域。 •在应用上，研究力对生物体的作用对于研究心脑血管疾病, 如动脉粥状硬化,血栓等等的成因和临床上的预防及治疗有 很好的指导作用。 •因为细胞构成组织和器官，同时又由生物大分子构成，因此 力对细胞的作用是力对组织和器官作用的基础，同时也是进 一步研究力对生物大分子作用的起点。
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（一）流体剪切力
成骨细胞的增殖和分化与流体剪切力的刺激有密不可分的 联系，较低强度的流体剪切力对成骨细胞的影响并不大， 较高强度的流体剪切力会抑制细胞的增殖。流体剪切力还 能改变细胞的形态。 1.2 Pa的流动剪切力作用1 h后，成骨细胞沿流动方向一致 被拉长，去除流体剪切力培养 24 h 后，细胞又恢复原来 的形态结构。1.9 Pa的流体剪切力作用 1 h 后，细胞发生 皱缩，随后出现脱落，生物活性消失。去除剪切力培养 24 h后，细胞的形态结构均未恢复原来的状态。
（二）离心力
5 g 的超重力作用能促进DNA 的合成，效率达 150%。
在较低水平离心力（1.5~2.0 g）刺激下能促进成骨细胞的 增殖，而当细胞在高水平离心力（40~80 g）作用下时，细 胞的生长和分化将受到抑制 表明：在较低离心力作用下，细胞处于失重状态，细胞的生 物学活性下降。在较高的离心力作用下，细胞处于超重状态， 细胞的生物学活性升高。而超出生理应变的离心力也将抑制 成骨细胞的生物学活性。
3
对细胞施加机械力作用的实验方法
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1.微管吮吸法
• 利用压力差产生的吸引力测量细 胞膜的弹性。
• 基本方法为测定吸入单位长度的
细胞所需的负压值，测定恒定负 压值下吸入的细胞长度，测定吸
入整个细胞所需的负压值。
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4.空气液体传导静压力加载装置
将细胞培养器皿放置于一个密闭的环境中，通过以下方法进 行加载: • 抽真空产生负压使培养室内的细胞受压，向密闭的培养室 内注入二氧化碳和空气使培养室内的细胞受压; • 水柱产生的静水压力作用于培养室内的细胞。
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细胞对机械力的研究分析
汇报人：秦靖 学号： 3116037001
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背景：
机械力是生命赖以存活的环境因素之一，对人的生长发 育和疾病都会起到重要的作用。机械力在生物界普遍存在， 生物体无论动物，植物还是微生物，时刻处于各种机械力的 作用下，在外部，生物体受到重力，空气压力，液体压力， 声波刺激等力的作用，在内部，则存在肢体运动和细胞生长 产生的局部应力，心脏和肺等器官收缩运动产生的压力，体 液的流动产生的剪切力，压力和周向力等等，在受力的对象 上，大至器官小至细胞，这些力影响并调节生物体的生长， 发育，生理功能，甚至基因的表达和调控。
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3.对细胞骨架的作用
细胞骨架是细胞中重要的组成部分,其三种结构基础,微丝,微 管,中间丝各成系统,对机械力主要起响应的结构是微丝,是由 双股 F-actin螺旋式组成的，而微丝与细胞质膜上的蛋白质脂 分子相互连接而成为细胞运动,细胞形态和跨膜信息传递的结 构基础,所以微丝的改变将会影响细胞生理功能。
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2.机械力对其他细胞的影响
机械力对血管内皮细胞生理功能的影响是多方面的。 在应用流体剪切力后，培养的VECs在流动方向上表现出明 显的排布和伸长。 静水压力可直接导致VECs纤溶功能下降。适度的压力可促 进VECs的生长，减缓其调亡。
给胚胎干细胞施加一个微小的机械力，能引起胚胎干细胞 强烈的生物学反应，并引导其向特殊的方向分化，这提示局 部微小机械力对柔软胚胎的早期发展有非常重要的作用。
成骨细胞施加动态压力（0.098 MPa，15 min 加压，15 min 不加压，每天加压 8 h）时发现成骨细胞的数量增加并且 分化加快
通过众多的研究可以知道无论是静态压力还是动态压力， 在生理范围内均能促进成骨细胞的增殖和分化。
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（四）机械张力
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（二）离心力
离心力是利用离心机旋转产生的一种惯性力，这种力与 重力相似，可以用来研究成骨细胞在不同重力环境下的增殖 和分化。 4~30 g离心力对应于生理水平的 40~300 微应变，比如散 步和跑步等运动。
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目
录
1
机械力对细胞的影响 机械力对细胞影响的机理研究 对细胞施加机械力的方法
2
3
4
CELL:T细胞利用机械力增强其杀伤能力
CONTENTS
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1
机械力对细胞的影响
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4
CELL:T细胞利用机械力增强其杀伤能力
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Cytotoxic T Cells Use Mechanical Force to Potentiate Target Cell Killing DOI: DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.01.021
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2.对细胞膜上蛋白分子的作用
细胞膜上分布着各种膜蛋白,其中的部分蛋白被认为能被机械 力激活或者传递机械力进入细胞! 目前整联蛋白被认为是一 种最可能的力信号感受器, 机械力对整联蛋白的作用可激发 与整联蛋白相连的下游信号分子的激活并进一步将力传入细 胞,但目前对于该过程中整联蛋白转导力信号的机制尚未清楚, 且细胞膜上是否存在其它力信号感受器也有待研究!
5.双轴力学应变系统
• 该系统由培养小室，压力腔，液压加载及控制系统组成， • 培养小室的底部为医用硅橡胶薄膜的有机玻璃，内径为 30mm,高度为 20mm，该系统可同时对多个培养小室进行 力学加载，可调节加载幅值，频率，周期和作用时间。
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STR-4000细胞流体切应力系统 Flex flow平行板流室系统
1.1机械力对成骨细胞的影响
正常骨组织改建、骨折的修复、正畸牙移动以及牵张成 骨等都离不开机械力学刺激,而生理状态的周期性机械力刺 激是骨组织新生的基础。 在体内，成骨细胞受到力学信号的种类不同，各种力之间 相互偶联。
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（一）流体剪切力
在生物体内，流体剪切应力通过多种交互和相互竞争的 信号转导途径刺激人类成骨细胞增殖和分化。 流体剪切力主要由骨小管内体液对管壁上附着的成骨细 胞膜的作用产生。当机体运动的时候，肌肉的牵拉会使 骨的表面发生微小的变化，这些微小的变化会导致骨小 管内的液体发生相对流动，对成骨细胞产生流动剪切力。
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（三）机械压力
作用于成骨细胞的机械压力可分为动态压力和静态压力 。
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（三）机械压力
成骨细胞加载2 atm的持续性静态压力后，细胞的生长较 对照组缓慢，但作用1 d后，细胞的骨钙素分泌明显增多， 细胞的分化受到促进。
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（一）流体剪切力
在研究流体剪切力促进成骨细胞增殖机制中发现在6、12、 18 dyn/cm2这3种不同强度的流体剪切力的作用下，12 dyn/cm2为最佳的剪切力强度，可明显的促进成骨细胞的增 殖和分化。 通过以上研究可以发现流体剪切力能改变,成骨细胞的形 态结构，影响细胞的增殖和分化。
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4.细胞核
• 新发现认为细胞核自身可作为一种机械感受器直接控 制基因转录。细胞核的力学性能受 粘着斑及细胞骨架 影响。机械力作用下，细胞内的变形可改变核内染色 体构象，使细胞核体积明显改变，细胞核表面积与基 因表达息息相关，改变信号通路。
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机械力对细胞影响的机理研究
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1.激活离子通道
• 作为机械力受体的膜结构主要包括离子通道，G-蛋白连 接受体，酪脂酸激酶及整合素族等，离子通道与G-蛋白 连接受体经机械力激活后的改变则涉及细胞内Ga2+的水 平的变化，Ga2+作为细胞内的第二信使在信号传导中有 极其重要的作用，同时，Ga2+又是许多关键酶发挥活性 之必需，故Ga2+在细胞感受机械力并引起自身形态与功 能变化中可能发挥了相当的作用。
机械张力是影响骨增殖和吸收的一个重要因素。
在机体内，骨组织受到的多种牵张力会使成骨细胞发生应 变，成骨细胞的结构发生变化并分泌相应的物质。在日常生 活中，牵张力随时刺激着骨组织，比如运动时肌肉对骨的牵 拉均会产生机械张力。
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（四）机械张力
连续 6 h 的拉伸应变可显著增加 BMP-2 和 Runx2 基因的表 达，并抑制 OCN m RNA 的表达。 大小适宜的机械张力可促进成骨细胞的增殖和分化。 分别给成骨细胞加载12%的拉伸应变率，机械张力明显的 促进了细胞的增殖和 ALP 的活性。 给成骨细胞每天加载 30 min的牵张力时，细胞的增殖提高 10%~48%，但 ALP 和骨钙素的分泌明显降低。 机械张力的大小、时间、频率均影响着成骨细胞的增殖分化，
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（五）机械振动
机械振动是一种常用来治疗骨质疏松症的物理方法，目 前运用已相当广泛。在体外可以控制振动的强度和频率达 到不同的治疗效果。
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（五）机械振动
高频率、低强度的机械振动能促进成骨细胞的增殖和分化 分别给牙周干细胞加载40、50、60、70、80、90 Hz 的振 动时，当频率为 50 Hz时，碱性磷酸酶的活性和骨钙素的 分泌达到峰值，并且在40 Hz和50 Hz下 Col-I、Runx2和 Osterix的水平显著增加。在微重力环境下，加载一定频率 的振动力可促进成骨细胞的增殖和分化， 90Hz和5~90 Hz 变频振动在微重力环境下可促进成骨细胞的增殖，45 Hz和 5~90 Hz变频振动能保护成骨细胞的分化功能。不同大小的 频率对成骨细胞周期、增殖和分化会产生不同的影响。 适当的机械振动可促进成骨细胞的增殖和分化，从而达到 预防骨折和治疗骨质疏松等作用。