利用力学和物理学的研究可以预测压力细胞的疾病

纽约布鲁克林，2019年8月19日，星期一-纽约大学坦登工程学院的研究人员发现了一种新方法，通过将机械工程和物理原理应用于现在已经很好理解的过程，来识别单细胞的状态。宏观层面，但尚未在细胞层面：伤害和疾病等压力因素如何迫使生物体进入新的平衡水平——寻找一种称为动态平衡的“新常态”生物过程。研究人员的研究成果对高血压、糖尿病等慢性病的诊断和分期具有重要意义。

由机械与航空航天工程和生物医学工程助理教授陈伟强和机械与航空航天工程助理教授Vittoria Flamini领导的团队使用活细胞成像和一种新的微机械工具对细胞施加瞬时局部物理压力，同时测量细胞的动态抑制反应、细胞骨架(CSK)和其他细胞结构以及细胞能量的张力。

这项名为“能量介导的机械驱动细胞的机械动力学”的研究将在《先进材料》上发表，详细介绍该团队如何测量机械应力和细胞能量，并将应力模式与II型慢性疾病患者的细胞进行比较。糖尿病，使他们能够建立糖尿病和其他疾病的预测模型。

为了研究细胞如何通过机械和能量相关的过程“重塑”外部刺激，研究小组采用了陈开发的“镊子”，利用超声波脉冲和附着在细胞膜上的“微泡”——脉冲扰乱气泡——对细胞施加机械力。研究小组将血管肌肉测试细胞嵌入含有弹性聚二甲基硅氧烷(PDMS)微柱的基质中。这种布置允许他们通过测量微柱基板的偏转来量化操作期间的细胞力和能量。荧光显微镜使团队能够直观地监控压力如何重组CSK，尤其是其成分肌动蛋白和肌球蛋白，就像钢带子午线轮胎中的金属纤维一样

利用实验结果，该团队建立了一个新的能量驱动细胞机器的生物物理模型，以了解细胞中的动态平衡。在这个过程中，细胞能量不仅提供适应的驱动力，还提供负反馈帮助稳定细胞系统。

“倾斜的能量模式和细胞失调可能表明健康状况已经变成一种病态环境，如糖尿病、高血压或衰老，”陈说。

在引入细胞产生特定功能障碍的细胞模式(即疾病表型)之前、期间和之后，研究人员测试了四种CSK张力、肌动蛋白和肌球蛋白以及净能量的表现。例如，在这种模式下细胞作为肌动蛋白纤维的CSK结构被破坏会导致弱适应过程，这可以揭示糖尿病等病理状况，而细胞中肌动蛋白聚合的过度活性会导致“兴奋延长”或“低反应性”，而没有“关闭时间”。高血压和其他疾病的困扰。

“能量平衡是健康的代表，”弗拉米尼说。“细胞行为涉及能量和物理；概念证明是能源模型如何看待不同的条件。我们已经证明，我们可以预测这一点。”

她解释说：“通过变化实现稳定的能力是一种关键的生物适应，它允许生物体稳定其内部和外部环境的变化。”“然而，目前还不清楚它是如何发生在单个细胞中的。我们的研究为单细胞系统解决了这个问题，其中能量起着关键作用。”

魏强补充说：“该团队与NYU朗格健康公司的同事合作，专注于心血管疾病，因为它们与血管细胞的机械行为直接相关。例如，在动脉瘤中，炎症会影响调节血管细胞弹性的蛋白质。现在我们正在像这样研究疾病发展的机械力。”

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