《骨細(xì)胞力學(xué)》系統(tǒng)介紹了力致骨結(jié)構(gòu)重建過程中骨組織細(xì)胞的功能、細(xì)胞的力學(xué)環(huán)境,以及細(xì)胞/分子水平的力學(xué)—生物學(xué)耦合規(guī)律。書中通過具體的研究實(shí)例展示了骨組織細(xì)胞如何通過膜上分子、離子通道、胞內(nèi)骨架來感受其周圍力學(xué)環(huán)境的變化;進(jìn)而如何將這些力學(xué)刺激信號傳遞到細(xì)胞內(nèi)部,并傳遞到細(xì)胞核內(nèi)以影響基因的表達(dá),后控制細(xì)胞的生物學(xué)性質(zhì);以及在成骨過程和破骨過程的不同階段,力學(xué)刺激下細(xì)胞的生物學(xué)響應(yīng)規(guī)律有何特點(diǎn)。書中還簡單介紹了骨組織細(xì)胞力學(xué)研究中常用的一些實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法。
微絲是細(xì)的細(xì)胞骨架,直徑約為6nm。它們由G型肌動蛋白亞基線性聚合而成,發(fā)生聚合的一端稱為正端,由于不斷生長會對胞內(nèi)組分(如細(xì)胞膜)施加相應(yīng)的擠壓力。它們也可以與肌球蛋白進(jìn)行相互作用而產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)部的收縮力,兩者形成的耦合物稱為肌動肌球纖維。小GTP結(jié)合蛋白Rho主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)肌動肌球纖維的收縮力,而Rac負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)片狀偽足,Cdc42負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)絲狀偽足。中間絲纖維的直徑約為10nm,它比微絲的結(jié)構(gòu)要穩(wěn)定,主要功能是組成細(xì)胞內(nèi)的三維結(jié)構(gòu),對細(xì)胞器進(jìn)行固定,同時也是細(xì)胞核纖層的主要結(jié)構(gòu)成分。微管的直徑約為23nm,為中空結(jié)構(gòu),內(nèi)腔直徑約為15nm。它們通常由13個原絲纖維組成,是α和β型微管蛋白的聚合物。微管纖維也是動態(tài)變化的,當(dāng)它們與GTP結(jié)合時可以發(fā)生聚合。9個微管纖維的三聚體可以形成中心體,而9個二聚體沿著兩個額外微管纖維可組裝為偽足和鞭毛,兩個二聚體之間通過動力蛋白發(fā)生連接。在細(xì)胞內(nèi)微管纖維主要負(fù)責(zé)承擔(dān)壓力,也可在有絲分裂或中心粒的定位過程中承擔(dān)拉力。
3.5.2細(xì)胞骨架對力的感受
細(xì)胞骨架對于力學(xué)刺激的一個顯著的響應(yīng)是肌動蛋白纖維束與交聯(lián)蛋白和肌球蛋白等共同形成應(yīng)力纖維結(jié)構(gòu),每根應(yīng)力纖維通常包含10~30根肌動蛋白纖維。目前已經(jīng)有大量工作證明不同的力學(xué)刺激都可以在骨組織細(xì)胞內(nèi)引起應(yīng)力纖維結(jié)構(gòu)的變化。例如,很早就有研究發(fā)現(xiàn)作用于成骨細(xì)胞的流體剪切力可以引起肌動蛋白纖維聚合為應(yīng)力纖維(Pavalkoetal.,1998),而破壞肌動蛋白纖維骨架可以減弱骨組織細(xì)胞對流體剪切力的響應(yīng)(Maloneetal.,2007;Myersetal.,2007)。另外,增強(qiáng)肌動蛋白纖維的聚合可以促進(jìn)成骨向分化(Arnsdorfetal.,2009)。Pommerenke等(1996,2002)利用磁場加載裝置對成骨細(xì)胞施加接力,發(fā)現(xiàn)周期性應(yīng)力刺激可以通過整合素引起成骨細(xì)胞骨架上連接的磷酸酪氨酸水平的增加,并可導(dǎo)致粘附斑激酶由細(xì)胞質(zhì)向骨架的轉(zhuǎn)移。在體情況下骨組織細(xì)胞通常會受到來自液體的靜水壓力和流體剪切力。一項(xiàng)體外實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)成骨細(xì)胞受到流體剪切力和靜態(tài)或周期性靜水壓同時作用時,肌動蛋白骨架結(jié)構(gòu)的變化并不相同(Gardinieretal.,2014)。流體剪切力作用下施加15mmHg的靜水壓力時,細(xì)胞中的肌動蛋白會組裝為應(yīng)力纖維,但如果將壓力降低到大氣壓水平,則會抑制應(yīng)力纖維的形成。除了肌動蛋白,細(xì)胞骨架的另一種重要成分微管也對力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)具有重要作用,例如,完整的微管對于成骨細(xì)胞在力學(xué)刺激下的分化和增殖都是必要的(Rosenberg,2003)。但細(xì)胞骨架通過什么單元及如何傳遞和感受力學(xué)刺激仍需進(jìn)一步研究(Scottetal.,2008)。