細胞力學感受器

細胞要對力的作用做出回響，必須表達特異的力學感測器（mechano-biosensor)，感受力學信號並將它轉換成生物化學信號。研究細胞力學信號的感受和回響機制，闡明力學因素如何產生生物學效應而導致細胞形態和功能變化，也正是細胞力學生物學研究的主要內容和目的。以研究較多血管內皮細胞為例，細胞有許多特異的力學感測器，具有感受切應力的功能，包括離子通道、整聯蛋白（integrin）、受體酪氨酸激酶（receptor Tyr kinase）、原始纖毛（primary cilia）、G蛋白異源三聚體（heterotrimeric G protein）、血小板/內皮細胞黏附分子1（plateet/endothelial cell-adhesion molecule，PECAM1)和血管內皮鈣黏著蛋白（vascular endothelial(VE)-cadherin等。

1．細胞骨架

細胞骨架（cytoskeleton）在血管內皮細胞對切應力的回響中起重要作用。微管（microtubule）、肌動蛋白（actin）和中間纖維（intermediate filament）與細胞的不同區域有物理連線，可將力從其受力的頂端結構域傳到側端或基底端的結構域。然而，確認細胞骨架本身就是一種流體切應力直接的力學感測器尚缺少更多的證據。對細胞骨架肌動蛋白（actin）、微管蛋白（tubulin）和波形蛋白（vimentin）進行三重染色結果表明，靜止狀態下，血管內皮細胞和細胞骨架纖維呈隨機定向排列。當具有明確方向的切應力持續作用於內皮細胞，細胞骨架纖維經過重建變得有序，與流體切應力的方向一致，細胞的排列也與流體切應力的方向一致（如圖所示）。持續的切應力對細胞骨架纖維和細胞排列的影響伴隨著應力纖維（stress fiber）變厚和細胞力學剛性增加。然而，這種細胞骨架有序重建在擾動流作用中未見到。在擾動流作用下細胞骨架纖維和細胞排列均表現出與靜止狀態下類似的隨機定向排列。

層流切應力對ECs細胞骨架和細胞排列的影響

細胞骨架三重染色，肌動蛋白用異硫氰酸螢光共軛鬼筆環肽染色（偽藍色），微管用單克隆抗β-微管蛋白（綠色），中間纖維用多克隆抗波形蛋白（紅色）。A. 靜態對照；B. 12 dyn/cm層流切應力載入24 h，箭頭示流體方向（引自：Chien, 2007 ）。

2．黏附受體

一種由PECAM1、VE-鈣黏著蛋白、受體酪氨酸激酶和血管內皮生長因子受體2（vascular endothelial growth factor receptor 2 （VEGFR2，亦稱FLK1或KDR）組成的蛋白質複合物能夠介導對血流的多種回響，進一步驗證了力能夠傳導到細胞中的側端結構。

3. 離子通道

細胞膜上兩種主要的鈣離子通道是應力敏感型鈣離子通道和L型電壓依賴性鈣離子通道。應力敏感型離子通道可被流體切應力直接激活，從而引起胞外鈣離子內流，迅速增加胞內的鈣離子濃度。細胞內鈣離子濃度的峰值大小以及對切應力回響的細胞數與流體切應力的大小與刺激頻率有關。L型電壓依賴性鈣離子通道由流體流動造成的流動電勢直接激活。

4．細胞腔面膜蛋白

位於細胞腔面的膜成分直接感受切應力介導流體回響。血流誘導細胞膜的流動性增加，但只限於細胞的上側。流體切應力和細胞膜的流動性都能激活G蛋白異源三聚體。脂質雙分子層上的力學敏感離子通道已得到了廣泛的研究，它們也可被牽拉力控制。在流體切應力作用下膜流動性或牽張力的改變會通過離子通道激活信號通路。除此之外，細胞腔面的多糖—蛋白複合物也參與了力學信號傳導。

5．原始纖毛

許多類型的細胞都具有一種頂端原始纖毛，由長几微米的微管蛋白棒構成。原始纖毛在腎上皮細胞可感受低水平的應力。骨細胞和成骨細胞也具有原始纖毛。血管內皮細胞是否存在原始纖毛尚有爭議。在動脈極少看到原始纖毛。在培養的內皮細胞可見到原始纖毛，但在流體切應力作用下就很快分解。然而，最近的研究發現，在體內血管易患動脈粥樣硬化的區域，有一些內皮細胞存在原始纖毛，提示原始纖毛能夠感知動脈的這些區域存在低切應力。而骨細胞已確認具有原始纖毛，而且有證據表明，骨細胞和成骨細胞通過原始纖毛感受液體流動。

骨細胞與其他細胞一樣能通過各種力學感受器和信號機制對機械力作出回響。骨組織的主要細胞成分包括骨細胞（osteocyte）、成骨細胞（osteoblast）和破骨細胞（osteoclast）等。骨細胞存在於骨基質內，其餘細胞均位於骨組織表面。骨細胞位於骨陷窩（bone lacuna），在骨單位（osteon）內圍繞哈佛管（Haversian canal）排列。骨細胞是骨組織中數量最多的細胞，它有許多突起，深入礦化基質的骨小管（canaliculus）內，突起長約15 mm，能穿過骨小管與相鄰細胞的突起相接觸。每個骨細胞與多個細胞相連，最多可達12個，2個相接觸的突起構成縫隙連線，信號分子可以通過縫隙連線在細胞間傳遞（如圖所示）。所有的骨細胞與骨內、外膜上的成骨細胞通過縫隙連線構成複雜的網狀結構，局部的物理和化學信號能迅速傳遞到整個骨組織。

骨細胞被認為是骨組織中的主要力學感受器。骨細胞及其突起位於充滿液體的骨陷窩和骨小管網路中，對組織液的靜水壓和流動產生的切應力極為敏感。有研究認為，骨的力學載荷導致的壓力梯度引起骨質內組織液流動，其中擾動流對骨細胞產生的切應力在0.8～3 Pa之間，而產生的靜水壓大約是血管系的40倍。正常生理的力學載荷導致人或動物活體整骨的應變範圍在0.04～0.3%，但一般很少超過0.1%，這一水平的應變不能刺激骨細胞。也就是說，骨細胞不直接對骨組織的機械應變做出回響，而是對由載荷引起的骨組織內的液體流動間接做出回響。此外，在骨髓腔和骨髓間隙中的骨髓源性的骨原細胞（osteoprogenitor cell）也承受組織液流動切應力和靜水壓，而在間充質軟組織，如血管中潛在的骨原細胞則承受力學牽張力（如圖所示）。

骨細胞和骨原細胞解剖位置及所承受力學載荷示意圖

左側圖示骨的分級結構及骨細胞在骨組織中的結構；右側圖示在骨和其他間充質組織（右下角）中的骨原細胞所承受的力學載荷（引自：Chen，2010）。

參考資料：

[1] 姜宗來，樊瑜波. 生物力學-從基礎到前沿. 第1版，北京:科學出版社，2010

[2] Chien S. Mechanotransduction and endothelial cell homoestasis: the wisdom of the cell. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2007, 292:1209-1224.

[3] Chen JH, Liu C, You L, Simmons CA. Boning up on Wolff’s law: mechanical regulation of the cell that make and maintain bone. J Biomech, 2010, 43:108-118.