使用力学和物理原理来识别单个细胞的状态

纽约大学Tandon工程学院的研究人员发现了一种新方法，通过将机械工程和物理学原理应用于宏观层面现在已经很好理解的过程来识别单个细胞的状态，但尚未在细胞水平上：伤害和疾病等压力因素如何迫使有机体进入新的平衡水平 - 寻找称为动态平衡的“新常态”的生物学过程。研究人员的研究结果对高血压和糖尿病等慢性疾病的诊断和分期具有重要意义。

该团队由机械和航空航天工程和生物医学工程助理教授陈伟强和机械和航空航天工程行业助理教授Vittoria Flamini领导，使用活细胞成像和一种新型微机械工具应用瞬态局部对细胞的物理压力，同时测量动态的抑制反应和细胞的细胞骨架(CSK)和其他细胞结构，细胞能量的张力。

这项研究“能量介导的机械驱动细胞机械动力学”将在Advanced Materials中展示，详细介绍了团队如何测量机械应力和细胞能量，并将应激模式与II型慢性病患者的细胞进行比较。糖尿病，允许他们建立糖尿病和其他疾病的预测模型。

为了研究细胞如何通过机械和能量相关过程对外部刺激进行“重塑”，研究小组采用了Chen开发的“镊子”，使用超声脉冲和附着在细胞膜上的“微泡” - 脉冲扰乱气泡 - 在细胞上施加机械力。该团队将血管肌肉测试细胞嵌入包含弹性聚二甲基硅氧烷(PDMS)微柱的基质中。这种设置允许它们通过测量微柱基板的偏转来量化操作期间的细胞力和能量。荧光显微镜使团队能够直观地监测压力如何重组CSK，特别是其成分肌动蛋白和肌球蛋白，就像钢带子午线轮胎中的金属纤维一样，

利用实验结果，该团队建立了一个新的能量驱动细胞机器的生物物理模型，用于理解细胞中的动态平衡。在这个过程中，细胞能量不仅提供适应的驱动力，而且还提供负反馈，以帮助重新稳定细胞系统。

研究人员在引入细胞产生特定功能失调的细胞模式(即疾病表型)之前，期间和之后，对四种CSK张力，肌动蛋白和肌球蛋白以及净能量的表现进行了测试。例如，这种模式的破坏作为肌动蛋白纤维的细胞CSK结构可导致弱的适应过程，其可揭示如糖尿病的病理状况，而细胞中肌动蛋白聚合的过度活性可导致“延长的激发”或“低反应性”而没有“关闭”时间。高血压等疾病的摄动。

“能量平衡是健康的代表，”弗拉米尼说。“能量和物理参与细胞行为;概念证明是能量模式如何看待不同的条件。我们已经证明我们可以预测到这一点。”

“通过变化实现稳定的能力是一种关键的生物适应，允许生物体稳定内部和外部环境的变化，”她解释说。“然而，目前尚不清楚它是如何在单个细胞中发生的。我们的研究针对单个细胞系统解决了这个问题，其中能量在这个过程中起着关键作用。”

Weiqiang补充道，“与NYU Langone Health的同事合作，该团队专注于心血管疾病，因为它们与血管细胞的机械行为直接相关。例如，在动脉瘤中，炎症会影响调节血管细胞弹性的蛋白质。我们现在正在研究像这样的疾病发展的机械力量。“

即将发表的一篇论文将探讨这项研究在加速动脉瘤疾病诊断和疾病分期方面的潜力。

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