核工业北京地质研究院细胞在三维结构中牵张力的产生及其应用 刘晨;陈维毅;李晓娜;王晓君
【摘 要】背景:贴壁生长的细胞通过肌动-肌球蛋白之间的相互作用对细胞外基质或基底施加一定的牵张力,该过程与许多生理和病理过程密切相关.目的:综述了目前几种主要的细胞牵张力技术的基本原理及应用情况.方法:第一作者以"细胞牵张力、细胞力学"检索CNKI数据库、万方数据库,以"Cell traction force、Biomechanics"检索PubMed数据库、SpringerLink数据库.收入有关细胞牵张力测量方法的研究,排除重复研究.通过阅读,最终选取30篇文献进行综述,其中中文1篇,英文29篇.结果与结论:细胞牵张力的测量方法主要有3种:硅胶薄膜测量法、细胞牵张力显微镜技术、微组装悬臂梁.准确估算细胞牵张力,将进一步拓展对细胞-细胞以及细胞-微环境之间的力学作用等诸多基本问题的理解.%BACKGROUND: Traction force generated by adherent cells exerts on the extracellular matrix or cell substrate through the interaction between actin and myosin, which involves a variety of physiological and pathological processes.OBJECTIVE: To review the fundamental principles and application of several traction force techniques.METHODS: The first author retrieved the databases of CNKI, Wan Fang, PubMed and SpringerLink for the research addressing the measurements of traction force using the keywords of "cell traction force, biomechanics" in Chinese and English, respectively. Repetitive articles were excluded, and 30 literatures were enrolled for analysis, including 1 Chinese and 29 English articles.RESULTS AND CONCLUSION: There are three kinds of measurements of traction force, such as silica gel membrane, traction force microscopy, and micromachined levers. The precise measurement of traction force contributes to further understand the cell-cell and cell-microenvironment mechanical interactions.
【期刊名称】《中国组织工程研究》
【年(卷),期】2017(021)008
【总页数】5页(P1301-1305)
【关键词】组织构建;组织工程;细胞牵张力;硅胶薄膜测量法;细胞牵张力显微镜技术;微组装悬臂梁技术;国家自然科学基金
【作 者】刘晨;陈维毅;李晓娜;王晓君说唱音乐
【作者单位】太原理工大学力学学院,山西省太原市 030024;太原理工大学力学学院,山西省太原市 030024;太原理工大学力学学院,山西省太原市 030024;太原理工大学力学学院,山西省太原市 030024
【正文语种】中 文
【中图分类】看雪教学设计R318
0 引言 Introduction
细胞不仅通过化学信号，而且通过力学信号彼此与微环境之间建立联系[1]。细胞牵张力是黏附细胞对基底或者细胞外基质所施加的张力，由细胞内肌动-肌球蛋白之间的相互作用产生，并通过细胞间连接和局部黏着附斑-整合素传递到相邻细胞和细胞外基质(图1)。许多生理病理过程如细胞黏附、细胞铺展、迁移、增殖、分化、胚胎发生、癌症转移以及伤口愈合均与细胞牵张力密切相关[2-3]。因此准确估算细胞牵张力，将进一步拓展对细胞-细胞以及细胞-微环境之间的力学作用等诸多基本问题的理解。
夸克星
创新思维的特征铜绿微囊藻图1 细胞牵张力示意图[3]图注：Migration：迁移；Actimyosin：肌动球蛋白；Integrin：整合素；Substrate：基底；Cell traction forces：细胞牵张力。
1 资料和方法 Data and methods
1.1 文献检索和筛选要求
1.1.1 检索数据库 PubMed数据库、SpringerLink数据库、CNKI数据库、万方数据库。
1.1.2 检索途径、检索词及各检索词的逻辑关系 为全面、准确地检索出撰写该综述的相关文献，文章写作过程中综合考虑了检索途径的选择、检索词的选择和各检索词间逻辑关系的配置，制定了科学的检索策略。
检索途径：关键词检索。
检索词：以“Cell traction force，Biomechanics”为英文检索词，以“细胞牵张力，细胞力学”为中文检索词。
检索的时间范围：1998至2016年。
1.2 文献筛选标准 通过初始检索，获得文献300余篇，阅读标题、摘要进行初步筛除，选择与细胞牵张力测量方法相关度较高的文献，排除重复和相关度不高的文献，保留30篇文献进行综述。
1.3 文献筛选结果的输出形式 文献检索和筛选结果的输出采用文献的引用形式，且保持了格式的一致性，文献的引用形式包括作者、题名、期刊名称、发表年代、卷数(期数)、页码等。经筛选纳入评价的文献提供了全文。
2 结果 Results
细胞牵张力的测量方法主要有3种：硅胶薄膜测量法(thin silicone membranes)、细胞牵张力显微镜技术(cell traction force microscopy)、微组装悬臂梁(microfabricated cantilevers)[4]。以下将对这3种方法的基本原理及优缺点加以分析。
2.1 硅胶薄膜测量法 牵引力的观测可追溯到20世纪80年代，Harris等[5]将细胞接种在薄的硅胶膜上，发现正在迁移的细胞使硅胶膜产生褶皱(图2)。通过检测产生褶皱的数量及长短发现small GTPase RhoA和钙调蛋白信号途径通过应力纤维和局部黏着斑参与牵张力的调
控[6-7]。但这种方法存在以下缺陷：①仅限于具有高度收缩性的几种细胞；②由于褶皱变形的非线性特点，力学分析比较困难[4]。
图2 成纤维细胞产生的牵引力使硅胶膜发生起皱[5](Bar=100 μm)
图3 硅胶弹性膜表面包被乳胶小球测量细胞牵引力[8]图注：culture medium：培养基；locomoting keratocyte：迁移中的角膜细胞；vacuum grease：真空硅脂；glass coverslip：盖玻片；liquid silicone：液体硅胶；latex beads：乳胶小球。
2.2 细胞牵张力显微镜技术 有学者对硅胶薄膜测量法进行了改进，在非起皱硅胶膜弹性膜上包被微米级乳胶小球，细胞产生牵引力使微球的位置发生变化，但并不引起弹性薄膜起皱(图3)[8]。根据小球的位移变化估算牵引力的矢量。这种方法在研究细胞迁移方面做出了一定贡献，但小球的位移和牵引力之间的关系仍为非线性，依旧不能采用弹性理论进行分析。20世纪90年代Oliver等[9]发明了牵张力显微测量(traction force microscope，TFM)技术。该技术能够实现定量分析细胞牵引力的时空分布规律。细胞牵张力显微测量技术的基本原理是将细胞培养在软的凝胶(例如聚丙烯酰胺)或高分子聚合物(例如聚二甲基硅氧烷)弹性基底表面，通过分析计算细胞引起的基底弹性变形信息反演得到细胞牵引力场[10-11]。
目前，大多数牵张力显微测量技术均假设细胞牵引力引起的基底材料变形为小变形事件，并采用线弹性连续介质理论进行分析。
图4 电子束光刻技术实现荧光粒子正交排列图注：图中A为细胞牵引力显微镜方法示意图以及弹性基底表面的荧光颗粒图[11]；B为采用电子束光刻技术使荧光粒子正交排列[14](Bar=6 μm)。
图5 细胞牵引力对三维软基底变形的影响[21]图注：图中A为细胞迁移过程中同时推动和拉动基底的示意图；B为位移分布图。
图6 水平微组装悬臂梁力学传感器[23]图注：图A为悬臂梁(embedded lever)、衬垫(Pad)和孔(Well)的剖视图(Bar=10 μm)；B为两个对打的衬垫(Bar=10 μm)；C为实验中所用的长为0.18 mm的梁；B为C图中白方框的放大。
图7 微柱力传感器阵列[26]图注：图中A为实验装置示意图；B为微柱基底(20 μm高)的扫描电子显微镜照片；C为通过两个单独细胞的牵拉而变形的微柱基底的明视场图像(Bar=15 μm)；D为通过肌动蛋白细胞骨架的免疫荧光染而显示出在微柱基底中牵拉后的细胞形状(Bar=15 μm)。E中6张图为间距为4 μm的微柱中，位置的落射荧光图像(Bar=2.5 μm)。
牵张力显微测量技术的优势在于聚丙烯酰胺凝胶属于线性弹性材料，当施加外力消失后，凝胶的形变可以恢复[12]，且在制作胶的过程中可以调控它的弹性模量；根据不同种类的细胞，在胶上表衬所需的细胞外基质蛋白[13]。最初在包埋荧光粒子时相对随机，使粒子分布不够均匀，计算粒子稀少区域的牵引力具有不确定性。电子束光刻技术克服了这种缺陷，可以实现荧光粒子的正交排列(图4)[14]。
牵张力显微测量技术的不足之处在于所用的弹性基底本身会发生变形。局部黏附产生的牵引力会引起一定范围内的基底发生形变，反过来产生一个较弱的力，并作用于临近的黏着斑，使不同位点所产生的牵引力相互影响，无法真正获得局部某个黏附点的牵引力。此外，荧光粒子位移的测量使牵张力显微测量技术的精确度受到一定限制，观测数据的微小偏差可能导致解的很大变动。
牵张力显微测量技术在细胞迁移、细胞-细胞外基质相互作用以及配体密度-细胞铺展与牵引力关系等研究方面做出了很大贡献[12，15-17]。牵张力显微测量技术不仅用于单个细胞牵引力的研究，一些学者还采用有限元分析方法对细胞-细胞以及体细胞牵引力进行了深入研究[16，18]，并结合了数字体积相关技术(digital volume correlation,DVC)方法及激光共聚焦显微镜技术分析了细胞牵引力对三维软基底变形的影响(图5)[19-22]。
图8 培养于双层聚丙烯酰胺胶中的NIH 3T3细胞[30]图注：图中A为培养于双层聚丙烯酰胺胶中的NIH 3T3细胞示意图，双层基底厚度大约为75 μm，并含有0.1 μm的红(顶部基底)或者绿(底部基底)的荧光微球；B为细胞用0.5 μm的多微球表面标记，且用0.1 μm的绿微球包埋于双基底中的示意图；C-F为细胞的共聚焦荧光显微光学切片图(Bar=30 μm)。
图9 包被有纤连蛋白的微柱上细胞铺展及牵引力产生机制示意图[26]图注：Fibronectin-RFP：纤连蛋白；MAL-PEG：马来酰亚胺。
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