nature reviews physics:多尺度曲率如何将力与细胞功能耦合

文摘   2024-11-05 10:25   北京  

关键点

  • 细胞与许多器官的曲面相互作用,并且在较低尺度上与细胞外基质的圆形特征相互作用,这内在地将几何形状和生物功能联系在一起。

  • 细胞外基质的曲率通过定义跨多个尺度的物理边界条件来影响重要的细胞过程。

  • 多细胞组织是活性材料,组织中的弯曲图案是由内在力与外在约束产生的应力场产生的。

  • 通过不同长度尺度的曲率来调节细胞形状和张力,可激活特定的机械转导途径,协同决定下游细胞功能。

  • 适应弯曲环境所需的细胞力量平衡的变化可能产生严重后果,促进各种人类疾病的出现。

介绍:本文深入探讨了细胞微环境中多尺度曲率如何与细胞功能耦合,特别是细胞外基质和组织内固有的曲率如何影响细胞的时空调控。文章详细阐述了物理参数如何揭示细胞在不同长度尺度上感知曲率的机制,并强调了这一领域的关键挑战。此外,文章还探讨了顶点模型方法在揭示曲率组织中涉及的物理元素以及在集体层面构建功能性结构的潜力。最后,文章考察了曲率变化如何通过重组作用于细胞核的细胞骨架力来影响转录调控,进而促进特定人类疾病的发展。

力和组织曲率的产生

人体结构具有从分子到器官尺度的几何和拓扑特征。在二维平面上,曲率表现为曲线;在三维空间中,这些曲线形成曲面。生物系统是3D且结构化的,受高斯和平均曲率分布的影响,形成复杂结构。器官的微观和宏观层面都表现出曲率,这取决于对各种力的平衡调节。

  • 曲线图案出现时的力量平衡:多细胞组织的形态变化依赖于细胞内外力的平衡,这些力量可以是细胞自身产生的,也可以是外部施加的,或者是两者的结合。

    作用于组织尺度的力。

  • 组织曲率产生的机制:组织曲率的产生涉及多种机制,包括细胞的顶端收缩、组织的屈曲以及细胞流场的组织,这些机制共同作用形成组织的三维结构。

    组织曲率产生的机制和顶点模型。

  • 曲率诱导对细胞力的影响:组织曲率的变化会诱导细胞内部力量的重新分布,细胞需要调整其内部力量以适应外部环境的变化。

  • 定量评估组织力平衡的模型系统:上皮组织作为单细胞层,提供了一个理想的模型系统,用于定量评估细胞如何整合亚细胞力量以产生与细胞形状相关的大规模力量,这对于理解组织的力学特性至关重要。

细胞和细胞核曲线传感机制

  • 面内曲率:细胞能够感知并响应二维表面上的曲率变化,这些变化影响细胞内骨架的排列和细胞极性的建立,进而影响细胞行为。

    细胞和组织尺度的平面内曲率。

  • 非平面曲率:细胞对从纳米到微米尺度的曲率变化敏感,这些变化影响细胞的形态、迁移和分化,揭示了细胞如何感知和响应其三维微环境。

    多尺度平面外曲率。

  • 弯曲基质上的细胞趋化和迁移:细胞在弯曲基质上的迁移行为受到曲率的调控,影响细胞的移动方向和速度,这对于组织修复和肿瘤侵袭等过程至关重要。

  • 核曲线传感和转录调控:细胞核能够感知基质曲率的变化,并通过改变核形态和功能来调节基因表达,这对于细胞命运决定和疾病发展具有重要影响。

    凹凸基底上的核曲线传感。

前景:未来的研究需要进一步探索细胞如何动态感知曲率变化,并将这些机械信号转化为生化响应。发展新的实验工具和技术,如刺激响应生物材料、精确的机械操纵工具、共培养不同细胞类型、遗传操作、活细胞成像和光遗传学工具,将有助于更全面地理解细胞如何响应曲率变化,以及这些响应如何影响细胞命运和组织功能。这些研究不仅能够增进我们对组织如何利用曲率创建功能性结构的基本理解,还有潜力指导开发具有先进功能的生物工程组织,并为治疗与曲率变化相关的疾病提供新的治疗策略。

我们是国内专注微小力学设备提供商提供细胞或类器官力学刺激培养设备,包括牵张、剪切、压缩以及一些定制设备。同时我们提供软物质纳米压痕仪可测样品包括水凝胶,单细胞,细胞外基质,类器官,组织,软骨等各种软物质的硬度,测试范围5Pa-1GPa因其独特设计适合极软物质的测量,数据重现性极高。如果您有相关设备需求,欢迎咨询。

此文简化了复杂的科学信息,以便于一般理解。鼓励读者查阅科学文章以获得详细的见解,并在科学界认识到这项研究的更广泛背景。点击阅读原文即可直达文章链接。

力学生物学
东地科技专注生命科学研究,不断贡献生物医学及相关材料工程领域的创新技术。与广大客户一道,致力于使独特而富有创造性的概念成为现实。
 最新文章