細(xì)胞機(jī)械應(yīng)力響應(yīng)的生物學(xué)基礎(chǔ)及機(jī)制研究進(jìn)展

越來(lái)越多的研究表明，機(jī)械應(yīng)力(mechanicalstress，Ms)在細(xì)胞增殖、分化、凋亡、基因表達(dá)以及組織生長(zhǎng)、功能整合等生理過(guò)程和某些病理生理(如心肌肥大、動(dòng)脈粥樣硬化和皮膚擴(kuò)張、骨折等創(chuàng)傷修復(fù))過(guò)程中起著重要的作用。但是應(yīng)力如何被細(xì)胞感受并傳遞至細(xì)胞內(nèi)，最終導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生一系列生物學(xué)效應(yīng)的確切響應(yīng)機(jī)制仍處于探索階段，并未完全闡明，本文就近年來(lái)細(xì)胞機(jī)械應(yīng)力響應(yīng)的生物學(xué)基礎(chǔ)及機(jī)制研究進(jìn)展綜述如下。

1 細(xì)胞機(jī)械應(yīng)力響應(yīng)的生物學(xué)基礎(chǔ)

1．1 細(xì)胞結(jié)構(gòu)的張力完整性：張力完整性結(jié)構(gòu)(stress integrality structure，SIS)由承受壓力構(gòu)件和一系列連續(xù)的張力構(gòu)件相互連接組成。這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性取決于結(jié)構(gòu)內(nèi)部完整性的保持，因而被稱為張力完整性。生物學(xué)研究表明，細(xì)胞的結(jié)構(gòu)符合張力完整性原理，而且細(xì)胞骨架(cellularframework，CF)的張力完整性影響細(xì)胞的形狀及功能。細(xì)胞骨架的張力完整性是細(xì)胞形變的主要決定因素。有關(guān)研究表明扁平細(xì)胞比圓形細(xì)胞DNA合成更為旺盛，說(shuō)明細(xì)胞的變形是信息傳遞的重要環(huán)節(jié)。在機(jī)械應(yīng)力的作用下細(xì)胞骨架的所有構(gòu)件為了分散張力和壓力而發(fā)生整體重排，從而導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生形變，細(xì)胞形狀調(diào)節(jié)發(fā)出的調(diào)節(jié)信息以力的形式傳遞。因此，機(jī)械應(yīng)力的變化可以通過(guò)細(xì)胞及其骨架內(nèi)的力平衡而對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)和生化性質(zhì)產(chǎn)生影響，即細(xì)胞受到來(lái)自體外的直接的力學(xué)刺激時(shí)，它的形態(tài)和功能都會(huì)發(fā)生改變。由于張力完整性結(jié)構(gòu)中存在預(yù)應(yīng)力，若對(duì)該結(jié)構(gòu)中的某一構(gòu)件施加應(yīng)力，所有相互連接的構(gòu)件包括距離很遠(yuǎn)的構(gòu)件就會(huì)整體重排，從而導(dǎo)致線性硬化響應(yīng)，即結(jié)構(gòu)硬度的增加與施加應(yīng)力的增加成正比?；罴?xì)胞線性硬化以響應(yīng)通過(guò)細(xì)胞表面受體傳遞的應(yīng)力，力學(xué)信號(hào)再通過(guò)細(xì)胞骨架的幾何形狀或分子結(jié)構(gòu)依賴于力的變化而轉(zhuǎn)變?yōu)樯憫?yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，骨架重排可引起細(xì)胞形態(tài)的改變，細(xì)胞骨架作為細(xì)胞內(nèi)的張力框架，通過(guò)與細(xì)胞膜上分子的直接聯(lián)系，將力學(xué)受體上的分子扭曲力在細(xì)胞內(nèi)傳遞分布，再經(jīng)過(guò)效應(yīng)分子的扭曲力將力學(xué)信號(hào)最終表現(xiàn)在效應(yīng)點(diǎn)上。

1．2 整合素：細(xì)胞整合素是一類重要的細(xì)胞表面受體，其配體主要為細(xì)胞外基質(zhì)蛋白(extracellularmatrix，ECM)，如膠原蛋白、纖粘連蛋白、層粘連蛋白等。整合素通過(guò)識(shí)別這些胞外基質(zhì)蛋白，介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與ECM的粘附反應(yīng)并接受傳導(dǎo)級(jí)聯(lián)信號(hào)，在多種基本的病理生理過(guò)程中發(fā)揮重要作用。其β亞單位的胞內(nèi)區(qū)不僅能與肌動(dòng)蛋白結(jié)合的蛋白質(zhì)如vinculin、talin、paxillin及－actinin反應(yīng)，而且還能與聚焦粘附激酶(focaladhesion kinase，F(xiàn)AK)的氨基端反應(yīng)，F(xiàn)AK進(jìn)一步與各種信號(hào)分子反應(yīng)，如C－Src、Graf(與FAK有關(guān)的GTP酶調(diào)控因子)、IP－3激酶等，這些信號(hào)分子又可進(jìn)一步激活各種下游蛋白的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，包括促有絲分裂原激活蛋白激酶(mitogen－activitatedprotein kinase，MAPK)，蛋白激酶c(proteinkinase C，PKC)和PIP－5激酶等。

目前，越來(lái)越多的研究表明整合素具有機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)導(dǎo)的功能，并且主要集中于整合素聚焦粘附區(qū)域，起到變機(jī)械力學(xué)信號(hào)為化學(xué)信號(hào)的作用。采用裱襯了纖粘連蛋白或含RGD肽的微球?qū)?xì)胞進(jìn)行剪切加載，發(fā)現(xiàn)力信號(hào)可以直接傳入細(xì)胞骨架(表現(xiàn)為細(xì)胞硬度指數(shù)隨應(yīng)變?cè)龃蠖龈?，而若微球未裱襯或裱襯其他非整合素的配體，則力信號(hào)不能直接傳入細(xì)胞骨架。利用磁扭轉(zhuǎn)細(xì)胞計(jì)，將機(jī)械應(yīng)力直接作用于細(xì)胞表面受體證實(shí)，β₁整合素能將力信號(hào)傳遞至細(xì)胞骨架，誘導(dǎo)聚焦粘附的形成，支持應(yīng)力依賴性細(xì)胞硬度反應(yīng)，這說(shuō)明整合素是外力傳向細(xì)胞骨架的通道，細(xì)胞通過(guò)其表面的整合素受體及時(shí)響應(yīng)，以張力整和的形式將響應(yīng)的機(jī)械力信號(hào)有選擇地轉(zhuǎn)換到細(xì)胞和核內(nèi)的不同結(jié)構(gòu)部件上，如聚焦粘附絡(luò)合物中的信號(hào)分子、細(xì)胞膜中的離子通道、核糖體、核膜孔、染色體、甚至可能是單個(gè)基因，實(shí)現(xiàn)力化學(xué)轉(zhuǎn)化，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞的生理機(jī)能，對(duì)維持細(xì)胞的生長(zhǎng)和影響細(xì)胞的功能產(chǎn)生調(diào)控作用。

1．3 第二信使系統(tǒng)：細(xì)胞感受機(jī)械應(yīng)力之后可生成一系列的第二信使分子，比如Ca²⁺，cAMP、PKC和IP3等。機(jī)械牽拉或剪應(yīng)力作用可使成骨細(xì)胞和一些力敏感細(xì)胞(如血管內(nèi)皮細(xì)胞)胞內(nèi)Ca²⁺濃度迅速增高，Duncan等人的工作表明，應(yīng)力誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞胞內(nèi)Ca²⁺濃度增高，至少部分通過(guò)應(yīng)力敏感離子通道，且牽拉可使其電導(dǎo)增加并變得對(duì)機(jī)械刺激更為敏感。機(jī)械應(yīng)變和剪應(yīng)力亦均可誘導(dǎo)胞內(nèi)IP3濃度增高，而IP3可以動(dòng)員胞內(nèi)鈣庫(kù)的釋放，從而使胞內(nèi)Ca²⁺十濃度增高。機(jī)械牽拉和剪應(yīng)力均可使胞內(nèi)cAMP濃度增高，而cAMP濃度的增高與力刺激誘導(dǎo)的細(xì)胞增殖和基質(zhì)合成密切相關(guān)。機(jī)械刺激可在20s內(nèi)增高IP3水平，并使IP3水平和PKC活性在2min內(nèi)達(dá)到峰值。另外應(yīng)力也可直接激活磷脂酶A－2參與力的轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程。可見，Ca²⁺，cAMP．PKC和IP3等第二信使系統(tǒng)可在應(yīng)力作用下發(fā)生變化。

1．4 應(yīng)力反應(yīng)元件：應(yīng)力反應(yīng)元件(stressresponsive element，SRE)是存在于細(xì)胞基因的啟動(dòng)子內(nèi)并且能夠被應(yīng)力所誘導(dǎo)的啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的順式調(diào)控元件，能夠特異性地上調(diào)或下調(diào)相關(guān)基因的表達(dá)。目前已知的機(jī)械應(yīng)力反應(yīng)元件至少涉及4種轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)及10余種受應(yīng)力調(diào)控的相關(guān)基因。轉(zhuǎn)錄因子又稱“第三信使”，是一類位于胞漿或胞膜上的蛋白質(zhì)，被“第二信使”在轉(zhuǎn)錄后水平激活向核內(nèi)轉(zhuǎn)移，與特定的DNA序列結(jié)合，選擇性地調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。目前在細(xì)胞上已發(fā)現(xiàn)至少有4種轉(zhuǎn)錄因子可被應(yīng)力激活，它們分別是：①基因結(jié)合核因子(nuclear factor－gene binding，NF－xB)；②激活蛋白(activator protein－1，AP－1)；⑧早期生長(zhǎng)反應(yīng)蛋白(early growthresponse－1，Egr－1)；④刺激蛋白(stimulatoryprotein－1，SP1)?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的10余種受機(jī)械應(yīng)力調(diào)控的相關(guān)基因，根據(jù)它們的生物學(xué)特性，大致可以分為血管活性物質(zhì)基因、生長(zhǎng)因子基因、粘附分子基因、趨化因子基因、凝血因子基因和原癌基因等。

2 細(xì)胞機(jī)械應(yīng)力響應(yīng)可能機(jī)制

具有應(yīng)力感受功能的細(xì)胞(內(nèi)皮細(xì)胞、上皮細(xì)胞、心肌細(xì)胞、成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞等)感受力學(xué)微環(huán)境的變化，可將力信號(hào)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)一系列生物化學(xué)信號(hào)，最終導(dǎo)致基因表達(dá)變化。細(xì)胞外基質(zhì)、整合素、局部粘附蛋白和細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)系，彼此之間構(gòu)成了一個(gè)完善的張力整合系統(tǒng)。在機(jī)械應(yīng)力傳入細(xì)胞的過(guò)程中，細(xì)胞外基質(zhì)及細(xì)胞膜均可能參與了信息傳遞，細(xì)胞上存在的整合素等機(jī)械應(yīng)力感受器可直接將信息傳入細(xì)胞內(nèi)，再通過(guò)細(xì)胞骨架的傳遞將信息傳入細(xì)胞核。

業(yè)已證明，在細(xì)胞中有好幾種轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，包括細(xì)胞膜離子通道(特別是牽拉激活的陽(yáng)離子選擇性通道，如SA－cat)、與G蛋白偶聯(lián)的磷脂酶C通路、細(xì)胞內(nèi)鈣離子和細(xì)胞骨架等都參與了細(xì)胞的力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(mechanical stress－initiatedsignal transduction，MSIST)。胞外基質(zhì)－整合素－細(xì)胞骨架復(fù)合體是主要的力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，可以傳遞作用在細(xì)胞表面上的應(yīng)力到細(xì)胞內(nèi)各區(qū)。此外已有一些證據(jù)，包括使用不同的細(xì)胞，如成纖維細(xì)胞、上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、中性粒細(xì)胞及成骨細(xì)胞，表明在肌動(dòng)蛋白肌絲與整合素的細(xì)胞質(zhì)區(qū)部分之間起介導(dǎo)作用的a－輔肌動(dòng)蛋白是一個(gè)關(guān)鍵分子結(jié)構(gòu)，干擾肌動(dòng)蛋白應(yīng)力纖維的形成可阻止信號(hào)向細(xì)胞核的傳遞。G蛋白為常見的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)鍵分子，大G蛋白通過(guò)對(duì)其亞基上氨基酸殘基的脂化修飾作用而錨定在細(xì)胞膜上，從而為其接受細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)信號(hào)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，而小G蛋白則通過(guò)細(xì)胞外基質(zhì)—整合素—細(xì)胞骨架接受細(xì)胞外機(jī)械信號(hào)。Gudi等證實(shí)G蛋白的活化是早期心肌成纖維細(xì)胞應(yīng)力刺激的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)物質(zhì)。細(xì)胞膜離子通道主要為力敏感陽(yáng)離子通道，如Ca²⁺K⁺、Na⁺等，其激活無(wú)需第二信使分子的參與。細(xì)胞外鈣離子的內(nèi)流和細(xì)胞內(nèi)鈣離子的釋放也可能在力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起一定作用。鈣離子的升高起始于細(xì)胞內(nèi)鈣離子的釋放，隨即伴有鈣離子內(nèi)流。細(xì)胞內(nèi)鈣離子釋放的機(jī)制可能與細(xì)胞骨架和磷脂酶c通路有關(guān)，應(yīng)變所導(dǎo)致的細(xì)胞變形可以使與細(xì)胞骨架相連的一種磷脂酶c抑制子脫離原位，抑制子的解除可以允許磷脂酶c的激活。磷脂酶C又可激活蛋白激酶c通路，后者又產(chǎn)生三磷酸肌醇和甘油二脂，三磷酸肌醇則促使鈣離子從細(xì)胞內(nèi)的貯存處釋放。細(xì)胞外鈣離子內(nèi)流的途徑則是通過(guò)SA－cat通道。

一旦機(jī)械應(yīng)力被感知，PKC以及MAPKS即被活化，導(dǎo)致c－fos、c－jun基因表達(dá)。Sadoshima等證實(shí)機(jī)械應(yīng)力可以活化磷脂酶c、磷脂酶A2、磷脂酶D、IP3以及DAG，同時(shí)細(xì)胞膜上磷脂被磷脂酶C分解，能產(chǎn)生肌糖磷酸化以及diacylglycerol，而導(dǎo)致PKC活化，IP3激酶在細(xì)胞骨架參予的應(yīng)力作用過(guò)程中扮演著關(guān)鍵的角色。機(jī)械應(yīng)力還可直接活化酪氨酸激酶途徑并將機(jī)械信號(hào)傳遞給鳥嘌呤核苷接合蛋白(ras)，也可直接活化MAPK、MAPKK以及raf－1激酶。

盡管存在著多條不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，但它們之間是密切聯(lián)系的，這表明在感受應(yīng)力刺激的過(guò)程中需要的是整個(gè)細(xì)胞的參與，而不可能只依賴于單一的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。不同的力學(xué)信號(hào)可能通過(guò)這些內(nèi)在聯(lián)系而又相互調(diào)控的信號(hào)通路以不同的方式來(lái)影響細(xì)胞的反應(yīng)。

3 問題與展望

隨著有關(guān)機(jī)械應(yīng)力對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能調(diào)控的研究不斷深入，細(xì)胞對(duì)應(yīng)力產(chǎn)生適應(yīng)性應(yīng)變的響應(yīng)機(jī)制已初步為人們所認(rèn)識(shí)，但還有許多未知領(lǐng)域等待人們?nèi)ラ_拓，如應(yīng)力大小、頻率與細(xì)胞增殖、分化、凋亡的量效關(guān)系，應(yīng)力對(duì)組織修復(fù)的主要細(xì)胞一干細(xì)胞的生物學(xué)行為的影響，應(yīng)力作用下細(xì)胞內(nèi)力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)調(diào)控的確切機(jī)制等。進(jìn)一步深入研究機(jī)械應(yīng)力與細(xì)胞的關(guān)系，將有助于我們了解應(yīng)力在某些疾病的發(fā)病機(jī)理和創(chuàng)傷修復(fù)過(guò)程中的作用，有助于針對(duì)這些機(jī)理、過(guò)程采取新的更有效的應(yīng)對(duì)策略，在組織工程、基因治療和提高創(chuàng)傷修復(fù)質(zhì)量中具有重要意義。