組織細(xì)胞對(duì)基板硬度的感應(yīng)與回答

1、組織細(xì)胞對(duì)基板硬度的感應(yīng)與回答 Dennis E. Discher,1* Paul Janmey,1 Yu-li Wang2正常的組織細(xì)胞懸浮在液體流中，一般是不可行的，它需要錨定一個(gè)位點(diǎn)。這類細(xì)胞必須黏附在一種固體上，但這種固體往往跟草一樣，或者比嬰兒的皮膚還要柔軟。軟材料上細(xì)胞的一些行為具有典型的重要顯型；比如說，軟瓊脂凝膠上細(xì)胞的生長被用來鑒別癌細(xì)胞。然而，當(dāng)定量研究黏附在（可以模擬近似內(nèi)環(huán)境彈性的）凝膠體（或在其他細(xì)胞）上的細(xì)胞時(shí)，有關(guān)組織細(xì)胞（包括纖維原細(xì)胞、肌細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞和其他細(xì)胞類型）間質(zhì)硬度的理解問題便出現(xiàn)了。黏著復(fù)合物以及肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白構(gòu)成的細(xì)胞骨架在分子途徑中扮演關(guān)鍵

2、角色，它們的收縮力量可以跨細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳播。（錨定位點(diǎn)處）細(xì)胞間質(zhì)硬度在細(xì)胞水平上的回饋很可能對(duì)他們的發(fā)育、分化、病變和傳代有重要意義。錨定位點(diǎn)依賴指的是細(xì)胞需要黏附在固體上。大多數(shù)組織細(xì)胞分裂和懸浮在流體中式完全不可行的 ，即使加入可溶性蛋白招募細(xì)胞粘附分子，Ee.g.整合素結(jié)合的RGD肽（1，2）。流體與固體的明顯不同之處在于：當(dāng)受到壓力時(shí)，流體流動(dòng)，然而固體有能力抵御持續(xù)的推動(dòng)力和拉動(dòng)力。在大多數(shù)軟組織中皮膚，肌肉，大腦等的黏著細(xì)胞外加細(xì)胞外基質(zhì)，共同建立了一個(gè)相對(duì)有彈性的微環(huán)境。宏觀上，固體組織具有明顯的彈性，它能在經(jīng)受溫和的舒張和收縮，甚至是持續(xù)的壓縮（比如說坐）后，幾秒鐘內(nèi)恢復(fù)原有

3、形狀。在細(xì)胞水平上，錨定和穿插在環(huán)境中的正常組織細(xì)胞被查明是有彈性的。這個(gè)過程部分依賴于以肌球蛋白為基礎(chǔ)的收縮和跨細(xì)胞粘連，主要是通過整合素、鈣粘素，也許還有其他粘附分子來將力量轉(zhuǎn)交到基板上。一個(gè)正常的組織細(xì)胞不僅能運(yùn)用力量，而且能承受它，并通過細(xì)胞骨架組織（以及其他細(xì)胞過程）對(duì)（細(xì)胞感受到的）阻力做出回應(yīng)，不管阻力是自正常組織基質(zhì)，還是合成底物，甚至是鄰近的細(xì)胞。此外，疾病可以改變組織的物理性質(zhì)(就像現(xiàn)在磁共振成像（MRI）或超聲彈性成像展現(xiàn)的那樣（3-5）)，以及細(xì)胞對(duì)基質(zhì)穩(wěn)定性的反應(yīng)也同樣發(fā)生變化，正如插圖“軟瓊脂上癌細(xì)胞生長”說明的那樣Ee.g.，（6）。在細(xì)胞中，收縮力量通過肌動(dòng)蛋白

4、和肌球蛋白絲的交叉相互作用而產(chǎn)生。對(duì)于黏著細(xì)胞來說，部分收縮力量會(huì)被傳輸?shù)交迳希ū热缯f牽引力），并導(dǎo)致襯底的薄膜或軟凝膠起皺或凹陷（7-12）（圖1A）。細(xì)胞，反過來，通過調(diào)整它的黏連、細(xì)胞骨架和整體狀況來回應(yīng)基板的抵抗，。盡管相當(dāng)多的注意力都集中在單個(gè)細(xì)胞對(duì)（13）外部力量（外部因素） (從流體流動(dòng)到直接拉伸和局部扭曲) 反應(yīng)的研究上，但我們現(xiàn)在才開始認(rèn)識(shí)到，細(xì)胞對(duì)施加壓力的響應(yīng)包括一個(gè)內(nèi)外因素作用的反饋循環(huán)，此循環(huán)與細(xì)胞外微環(huán)境彈力有聯(lián)系。對(duì)類推肌肉建造也許有用：一個(gè)二頭肌不會(huì)被動(dòng)的彎曲；肌肉一定是積極地應(yīng)對(duì)負(fù)載物。此外，1公斤載荷明顯感到不同于2公斤的載荷。類似的敏感、生長和改造原則似

5、乎適用于大多數(shù)錨定細(xì)胞。圖。 1?；讘?yīng)變和組織剛度。 （一）應(yīng)變估計(jì)分布在一個(gè)細(xì)胞下面的軟基質(zhì)中。一個(gè)圓形的細(xì)胞從邊緣到核附近，都有一致的、持續(xù)的收縮應(yīng)力（81）。 （二）軟組織在力的作用下延長，說明了其對(duì)壓力的應(yīng)變(每一代表性的區(qū)域)。組織在斜坡上遭受一個(gè)小的壓力，斜坡的范圍為每個(gè)組織給出了楊氏彈性模量E，范圍（24，28，30）。測(cè)量單位通常以幾秒鐘到幾分鐘，以及帕斯卡爾（PA）的SI單位為尺度。虛線（ - - - ）是：（1）一個(gè)普通的組織工程聚合物（PLA）（89）;（2）動(dòng)脈起源的非細(xì)胞基質(zhì)（90）。在不同硬度并涂有配體的凝膠上，上皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞（14）是第一個(gè)被報(bào)告具有檢測(cè)和

6、明顯應(yīng)對(duì)軟硬基質(zhì)的細(xì)胞。雖然分子途徑仍只是部分已知，但自從報(bào)告后，肌肉細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞和許多其他組織細(xì)胞也發(fā)現(xiàn)具有能感知基板硬度的能力（15-17）。不像在軟凝膠體或組織中的細(xì)胞，組織培養(yǎng)中的塑料或玻璃制蓋玻片上培養(yǎng)的細(xì)胞（往往通過吸附的基質(zhì)蛋白），實(shí)質(zhì)上是附在剛性材料上的。問題因此出現(xiàn)：細(xì)胞對(duì)這些傳統(tǒng)材料剛性的認(rèn)知和回應(yīng)方式與他們?cè)诟舆m應(yīng)的組織、凝膠體、亞層細(xì)胞中的行為是相反的嗎？日益明顯，這個(gè)問題的正確答案似乎對(duì)標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞的培養(yǎng)，而且，也許，對(duì)了解疾病過程、形態(tài)和組織修復(fù)策略有重要影響。軟組織基準(zhǔn)細(xì)胞黏附固體基質(zhì)的剛度范圍從軟到硬，而且剛度也隨地形和厚度變化（例如，基底膜）。無論幾何圖像如何

7、，固體應(yīng)對(duì)壓力的內(nèi)在抗拒力可以被固體彈性模量E測(cè)量出來，這是力的最簡單應(yīng)用，如懸掛砝碼到一部分組織或其它材料上，然后測(cè)量相對(duì)變化長度或張力（圖1B，插入物）。另一種獲得同樣數(shù)據(jù)常見的方法是電子涉及宏觀戳控制和微觀壓頭，其中包括原子力顯微鏡（AFMs）（18，19）。許多組織和生物材料展示一個(gè)相對(duì)線性應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，達(dá)到小應(yīng)變力的10至20。在細(xì)胞（20）所施加的為小壓力時(shí)，斜坡的應(yīng)力與應(yīng)變力E是相對(duì)恒定的，盡管在更高應(yīng)力下材料變硬（增加E）是正常的（21，22）。雖然如此，微觀上自然和合成基質(zhì)例如，膠原纖維和聚合物的類似物（23）表明有許多細(xì)微的組織機(jī)械，特別是與細(xì)胞感覺最相關(guān)的長度和時(shí)間尺

8、度。樣品制備或狀態(tài)則是另一個(gè)明顯的問題，例如，整個(gè)腦袋彈性模量的宏觀測(cè)量，可被2個(gè)或更多的因素改變，這取決于具體的準(zhǔn)備工作、組織灌注等（24）。此外，細(xì)胞以及組織的許多探索方法，涉及到高頻壓力（25），然而細(xì)胞產(chǎn)生張力的時(shí)間尺度，似乎僅從幾秒鐘到數(shù)小時(shí)，從而激發(fā)了人們對(duì)細(xì)胞流變的長期研究 引用最近的細(xì)胞力學(xué)（26，27）。無論怎樣，通過比較含許多不同類型細(xì)胞的三個(gè)不同組織，表明腦組織比肌肉軟，肌肉比皮膚軟。雖然，繪制軟組織微小彈力的經(jīng)典決議在組織學(xué)來說似乎是重要的，但這里牽連到皮膚中上皮細(xì)胞和纖維原細(xì)胞、光學(xué)纖維束中微管以及腦組織中神經(jīng)細(xì)胞彈性微環(huán)境的解散。圖2?；讋偠扔绊?zhàn)ぶY(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)（

9、14）、細(xì)胞骨架的組裝和細(xì)胞擴(kuò)散（17，42），以及諸如肌管（28）條紋的分化過程。 （頂部）箭頭指向軟凝膠上的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)粘連，以及硬凝膠上的黏著斑。 摘自（14）（中部）肌動(dòng)蛋白的細(xì)胞色素骨架。 （底部）在細(xì)胞累積的分層中，下層首先黏附玻璃，所以（可與后來加入的成肌細(xì)胞融合）上層細(xì)胞能夠感應(yīng)軟的細(xì)胞基質(zhì)。逐漸增加的細(xì)胞粘連與漸增的細(xì)胞收縮性之間的相互關(guān)系在很久以前都已經(jīng)弄清楚了 例如，（31），但現(xiàn)在似乎很明顯，對(duì)于許多類型的細(xì)胞，基體剛度的觸覺，可反作用于其粘附物、細(xì)胞骨架以及凈收縮力量。利用薄的并與膠原共價(jià)連接的無活性聚丙烯酰胺凝膠，研究精囊的上皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞（14）。這種粘合配劑容

10、許細(xì)胞附著，并通過聚合物在凝膠上的橫向交叉程度來控制，E可在幾個(gè)數(shù)量級(jí)（從極軟到硬）間進(jìn)行變換。粘附蛋白的圖像，如紐蛋白是有啟迪作用的（圖2，頂部）：低交聯(lián)的軟凝膠（E E 1千帕）顯示（細(xì)胞）彌漫、動(dòng)態(tài)的粘著復(fù)合物。相比之下，高交聯(lián)的硬凝膠（E E 30至100千帕）上細(xì)胞顯示有穩(wěn)定粘著斑，粘附在玻璃上的細(xì)胞也具有這些典型現(xiàn)象。同樣，起源于三維空間基質(zhì)的細(xì)胞硬化可以改變?nèi)S空間基質(zhì)的粘連度，因?yàn)檫@些黏附物被大且分散的黏著斑取代，這些黏著斑近似于纖維連接蛋白的固定二維基質(zhì)上的（黏著斑）（32）。與信號(hào)在剛度檢測(cè)中扮演的角色一致，更硬的凝膠基板上，細(xì)胞中多種蛋白質(zhì)的酪氨酸磷酸化（包括樁蛋白）出現(xiàn)

11、廣泛增強(qiáng)（14），然而藥理學(xué)引發(fā)的非特異性磷酸化能夠驅(qū)動(dòng)黏著斑在軟材料上形成。抑制肌動(dòng)球蛋白收縮，相反，在很大程度上消除了突出的黏著斑，而收縮刺激驅(qū)動(dòng)整合素聚集進(jìn)入粘連處（33）。此外，雖然微管被認(rèn)為是細(xì)胞的支柱，并因此阻止了細(xì)胞起皺，但量化其對(duì)凝膠上細(xì)胞的貢獻(xiàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)微管僅提供了一小部分對(duì)抗壓力的抵抗力，更多的則是由細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)來提供的。凝膠成纖維細(xì)胞產(chǎn)生的牽引力（t，單位面積的力），第一次由嵌入凝膠表面附近的熒光微球映射出來，并且繪制出細(xì)胞脫落前后的成像珠轉(zhuǎn)移情況（10，20）。雖然較大面力施加到更堅(jiān)硬的凝膠上，但拖延培養(yǎng)基上任何細(xì)胞涂布不均勻的粘性流體阻力的數(shù)量級(jí)都超過了典型的btA E

12、1 kPa面力。此外，平均細(xì)胞面力與（兩膠之間）差異很小的平均凝膠張力相等（力差 0 bt/EÀ ; 3 to 4%），但在楊氏彈性模量E中卻相差一倍。這表明，力差被細(xì)胞作為觸覺調(diào)整點(diǎn)，也許類似于其他生理調(diào)整點(diǎn)，如細(xì)胞外離子濃度或最優(yōu)生長因子的濃度。此外，如果基體應(yīng)變力近似不變，則軟凝膠上細(xì)胞比硬凝膠上的收縮程度小一些；如果它們收縮小一些，那么他們的粘連就不必那么強(qiáng)了。這與通過減少（剝離軟凝膠與玻璃（28）上細(xì)胞的）力而測(cè)得的細(xì)胞結(jié)合降低的程度一致。這也與軟基質(zhì)上動(dòng)態(tài)的粘連相一致（圖2，頂部）。熒光成像也顯示愈加僵硬的基質(zhì)上，成纖維細(xì)胞日益增加F -肌動(dòng)蛋白和應(yīng)力纖維的形成（圖2，中

13、）。神經(jīng)細(xì)胞，相反地，似乎很少增加它們對(duì)基板的壓力，因?yàn)樗麄冎荒軌蚴狗浅Ｈ彳浀哪z變形（36）。神經(jīng)元能在更加柔和的基板上分支（37），可能是因?yàn)槿绻Y(jié)構(gòu)少，則細(xì)胞骨架會(huì)更柔韌。分化與細(xì)胞接觸假說肌肉組織細(xì)胞的細(xì)胞骨架也取決于基底剛度，并揭示了條紋肌動(dòng)球蛋白的最佳基板剛度（28，38）肌管收縮元素。非常軟的凝膠（用膠原蛋白帶式微）上培養(yǎng)幾周后，可得到良好的分離肌管并且肌動(dòng)球蛋白在培養(yǎng)基上也擴(kuò)散開來。非常硬的凝膠及玻璃微圖形上，應(yīng)力纖維和強(qiáng)大的粘著斑占主導(dǎo)地位，表明等體積收縮狀態(tài)的存在。值得注意的是，不過，在近似于放松肌肉束彈性（E È 10 千帕）的凝膠上，肌動(dòng)球蛋白條紋肌管占培養(yǎng)基

14、上微管的很大一部分。當(dāng)細(xì)胞就在肌肉細(xì)胞培養(yǎng)的第一層頂部時(shí)，肌動(dòng)球蛋白條紋更為突出（圖2）。下面的肌管緊緊地黏附在玻璃上，并且形成豐富的應(yīng)力纖維，而上面的肌管則趨向于形成更多與眾不同的生理和條紋狀態(tài)。雖然細(xì)胞間的接觸可能提供額外信號(hào)，但微管的楊氏彈性模量E，就像原子力顯微鏡測(cè)量的那樣，認(rèn)為在一定范圍內(nèi)凝膠的優(yōu)化導(dǎo)致了分化，重要的是，這個(gè)范圍與正常肌肉組織的范圍相同。對(duì)于系統(tǒng)（除了肌肉）來說，細(xì)胞與細(xì)胞接觸似乎產(chǎn)生相似的細(xì)胞凝膠效應(yīng)。生長在玻璃上的星形膠質(zhì)細(xì)胞，例如，似乎提供軟質(zhì)細(xì)胞以適合神經(jīng)（類似于凝膠具有類人腦E的）分支的''基質(zhì)''（39）。當(dāng)細(xì)胞處于高密度種

15、植時(shí)，細(xì)胞與細(xì)胞接觸可能產(chǎn)生類似的效果。當(dāng)內(nèi)皮細(xì)胞匯合時(shí)，軟、硬基底上細(xì)胞具有不可辨認(rèn)的形態(tài)，而細(xì)胞只依附于底層硬表面，從而使其具有不同的分布和細(xì)胞骨架組織（圖2）。有關(guān)結(jié)果顯示上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞以及心肌細(xì)胞有集合和形成細(xì)胞間接觸的趨勢(shì)，特別是在軟凝膠上（41）。這些研究可以幫助聯(lián)合國更好地理解，在胚胎和組織再生過程中，細(xì)胞相互作用時(shí)的細(xì)胞機(jī)械靈敏度。從纖維蛋白膠材料、微加工等支柱層到層聚合物集合（41-45），盡管膠體密度和長期彈性可能有差異，但所有的（用楊氏彈性模量E檢測(cè)）都表明有形成更多細(xì)胞骨架以及更大的、更穩(wěn)定粘連的傾向。然而，（它們）對(duì)停泊依賴細(xì)胞和/或相對(duì)收縮細(xì)胞的反映卻是獨(dú)特的

16、。高速游動(dòng)的變形細(xì)胞，如人體中性粒細(xì)胞在血液（流體）中穿行是完全可行的，似乎對(duì)襯底剛度并不敏感;不論是否有活性，它在軟凝膠上的擴(kuò)散與它在硬膠體和玻璃上的擴(kuò)散相當(dāng)（46-48）。雖然需要更多的研究來證明配體依賴，但與固體組織源性細(xì)胞的初步對(duì)比，說明有迫切需要了解（有關(guān)錨定位點(diǎn)和伸縮力）剛度感應(yīng)分子途徑的必要。細(xì)胞類型的變化意味著一種積極的、有規(guī)律的回應(yīng)，而不是整個(gè)細(xì)胞都需要施加牽引力到硬的基質(zhì)上。差異無疑在一定程度上取決于基因表達(dá)及粘附分子接觸。據(jù)說整合素通過粘附調(diào)節(jié)的構(gòu)象變化來響應(yīng)作用力（49），它們也似乎將作用力下調(diào)到軟凝膠上例如，第5條，整合素（40）。然而，過度表達(dá)的的整合素在有限的軟凝

17、膠細(xì)胞擴(kuò)散范圍內(nèi)不被考慮，但是，過表達(dá)的肌動(dòng)蛋白能驅(qū)動(dòng)細(xì)胞骨架組裝，并將其大力推廣傳播（17）。信號(hào)與分子效應(yīng)器的非線性響應(yīng)肌球蛋白抑制劑，包括一個(gè)強(qiáng)有力的非肌肉肌球蛋白抑制劑等（50）為收縮在基板感應(yīng)中扮演關(guān)鍵角色提供了重要依據(jù)（14，38）。據(jù)報(bào)道，重要角色也存在于整合（Ras超家族蛋白的）催化蛋白過程中，特別是Rho超家族成員，它被廣泛認(rèn)為能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架、細(xì)胞生長和轉(zhuǎn)錄。在細(xì)胞如纖維原細(xì)胞中，它是一個(gè)公認(rèn)的事實(shí)，即Rho蛋白刺激產(chǎn)生的收縮應(yīng)力驅(qū)動(dòng)纖維和粘著斑的形成，并且上行調(diào)控，使平滑肌的肌動(dòng)蛋白與剛性襯底的收縮建立聯(lián)系（33，51）。Rac1是另一個(gè)Rho家族蛋白，當(dāng)其在巨噬細(xì)胞中活

18、化時(shí)，能促進(jìn)包被抗體小泡吞噬，否則不被吞噬（48）。RhoA與此相反，在這些檢測(cè)中沒有顯著的影響。關(guān)于信號(hào)（特別是各種（圖3a）物理信號(hào)）途徑的普遍觀點(diǎn)，細(xì)胞運(yùn)動(dòng)（與收縮性）明顯牽扯到Rac蛋白，實(shí)際上，抑制肌球蛋白能使Rac蛋白激活（52）。如 “細(xì)胞與凝膠”效應(yīng)（包括上皮細(xì)胞（14）、成纖維細(xì)胞（20）、平滑肌細(xì)胞（53，54）研究表明的那樣，細(xì)胞效應(yīng)中，彈性效應(yīng)蛋白的參與，暗示細(xì)胞運(yùn)動(dòng)也可能是對(duì)基板硬度敏感的一種反應(yīng)（圖3B）。后者類型的細(xì)胞，其運(yùn)動(dòng)速度在中間硬度的基板上出現(xiàn)最大值。其結(jié)果是讓人想起了 “運(yùn)動(dòng)速度配體濃度” 的鐘形曲線（55），此曲線已在數(shù)學(xué)中作為（配體介導(dǎo)的牽引和配體介

19、導(dǎo)的錨定（56）之間的）平衡轉(zhuǎn)換模型。此外，Rho激酶能讓凝膠上的平滑肌細(xì)胞運(yùn)動(dòng)速度減慢，這表明有活性的RhoA蛋白有助于增加（分離游動(dòng)細(xì)胞后方存在的粘連物（此過程不適合吞噬作用）所需的張力（57）。硬基板（尤其是在漸變的硬度）上細(xì)胞爬行速度和方向（特別是傾斜度）依賴于現(xiàn)在所指的“耐性”（20） 。圖。 3?；讋偠扔绊懯湛s，運(yùn)動(dòng)，和傳播。（一）物理和化學(xué)信號(hào)的相互作用以收縮和細(xì)胞信號(hào)的方式反饋給基質(zhì)剛度。（二）細(xì)胞施加較少壓力給較軟的、有膠原質(zhì)涂層的凝膠時(shí)，細(xì)胞運(yùn)動(dòng)速度更快（20），導(dǎo)致其在軟到硬梯度凝膠上積累到硬的一端（54）。示意曲線圖。 摘自（54）（三）細(xì)胞擴(kuò)散領(lǐng)域跟平滑肌細(xì)胞與基體

20、的密度和硬度的關(guān)系，是通過熱力學(xué)模型（17）測(cè)量得來的。類似的非線性反應(yīng)同樣也存在于粘連作用、細(xì)胞骨架組織、施加基板的牽引力和其他細(xì)胞過程中。分子機(jī)制包括對(duì)基板硬度的分子反應(yīng)仍然有待調(diào)查，但似乎必須考慮“內(nèi)外因素” 和“外部因素”的途徑（圖3A）親密關(guān)系（或沒有）。細(xì)胞在硬基板上的黏附性受多種因素調(diào)節(jié)復(fù)審,見例（5），并且,一方面，收縮似乎調(diào)節(jié)附著結(jié)構(gòu)的形成與動(dòng)力（14）。事實(shí)上，肌球蛋白II具有使剛性基板上粘附和細(xì)胞骨架組織（33）完善的作用,以及散布（58）和產(chǎn)生細(xì)胞張力的作用（13）。另一方面，對(duì)細(xì)胞運(yùn)用外部壓力（外部因素）導(dǎo)致其對(duì)剛性材料粘性的增長，此粘著帶或不帶肌球蛋白（59）的收縮

21、力量。然而，內(nèi)外因素的活動(dòng)通過引發(fā)鈣瞬變、活化鈣調(diào)蛋白和肌球蛋白II的活性，可能引發(fā)外因素途徑,諸如開放壓力激活通道（60）。從外部因素角度的更多工作表明，良好伸展的細(xì)胞在不影響Rho活性的情況下可以使Rac蛋白失活（G30分）（52）。拉伸也可以為催化劑和輔酶創(chuàng)造新的細(xì)胞骨架結(jié)合位點(diǎn)（61），從而改變伸長和收縮的平衡。該機(jī)制可能涉及揭示腳手架結(jié)合位點(diǎn)或其他活動(dòng)的構(gòu)象變化；例如，一個(gè)關(guān)鍵的粘著蛋白，必須多方面展開以與紐蛋白結(jié)合（62-64），雖然展開力量的來源尚不清楚，但類似的螺旋狀包扎的細(xì)胞骨架蛋白展開所需的力量，則是由少數(shù)肌球蛋白分子產(chǎn)生。另一方面，流體丟失內(nèi)皮細(xì)胞，可激活Rho蛋白并增加

22、細(xì)胞牽引力（65），這種刺激或短暫或持續(xù)，則依賴于肌球蛋白的活性，但此刺激與局部基板牽拉力或基板順從效應(yīng)的比較仍然不清楚。雖然收縮的影響和效應(yīng)可以是短暫的和非線性的，但仍然必須闡明。伸長引起Rac蛋白短暫性失活的機(jī)制可能需要經(jīng)過一段時(shí)間的綜合，以了解它在信號(hào)中的地位（66），雖然肌球蛋白II的活動(dòng)在硬度感覺中是至關(guān)重要的，但在硬基板上它除了通過皮層變硬延誤早期階段的細(xì)胞擴(kuò)散（用E2小時(shí)）之外沒看到還有什么其它的作用。過度刺激肌球蛋白就像過度刺激多數(shù)馬達(dá)一樣，也可能導(dǎo)致細(xì)胞遷移速度放緩甚至停止。此效應(yīng)可能涉及較少的動(dòng)態(tài)球蛋白組裝，并逐步形成更堅(jiān)硬的基板，促進(jìn)更大、更穩(wěn)定的粘著。以肌動(dòng)蛋白、肌球蛋

23、白、腺苷混合物5 ¶ -三磷酸（ATP）和交聯(lián)劑為材料的重組實(shí)驗(yàn)可能提供了一個(gè)了解馬達(dá)驅(qū)動(dòng)自組裝過程的重要途徑。機(jī)械信號(hào)在細(xì)胞和分子水平上的各種反應(yīng)越來越需要多變量分析。需要更多的數(shù)據(jù)解釋有關(guān)基板硬度、收縮狀態(tài)、膠體密度、激活水平、以及生長因子刺激影響方面的耦聯(lián)反應(yīng)。一些研究已經(jīng)顯示非線性的響應(yīng)圖譜，通過凝膠上細(xì)胞的擴(kuò)散區(qū)域可加以說明（圖3C）。建模已經(jīng)為熱動(dòng)力學(xué)（17，68）、動(dòng)力學(xué)（56）以及細(xì)胞間相互作用提供了純機(jī)械的數(shù)據(jù)（69），但它們通常會(huì)產(chǎn)生飽和的甚至在楊氏彈性模量E中呈鐘形及其他的特殊反應(yīng)、。所有建模的主要挑戰(zhàn)是闡明首要問題：細(xì)胞如何通過增加細(xì)胞基板硬度來產(chǎn)生收縮牽引力

24、？在器官形成過程中細(xì)胞能否感應(yīng)路徑的存在？在收縮力方面，細(xì)胞類型的增加依賴于基板剛性的日益增加，這可以部分解釋細(xì)胞形成組織時(shí)長期存在的一些問題。隨機(jī)組合兩種類型細(xì)胞常常導(dǎo)致殼核細(xì)胞的聚集（圖4），就像首先觀察到的培養(yǎng)1天后，分離的心臟細(xì)胞進(jìn)入大量視網(wǎng)膜細(xì)胞的內(nèi)部（70）。細(xì)胞遠(yuǎn)離彼此則形成單個(gè)體細(xì)胞團(tuán)（71）。這些意見已被廣泛采用，通過印章法將細(xì)胞團(tuán)塊移到圓寶形或其他形狀的凝膠上進(jìn)行細(xì)胞群體形態(tài)的操縱（72）?！拔⒎逐ぶ僭O(shè)”被用來解釋這種現(xiàn)象，它認(rèn)為不同類型的細(xì)胞具有不同數(shù)量和類型的粘附蛋白（如鈣粘素），粘附蛋白在細(xì)胞層分界面形成有效的表面張力（73）。雖然細(xì)胞骨架和細(xì)胞緊張狀態(tài)的可能作用尚

25、未報(bào)告，但斑馬魚胚胎（74）的研究顯示：（一）肌動(dòng)蛋白纖維細(xì)胞中斷可完全分離細(xì)胞，即使鈣粘蛋白仍然存在于細(xì)胞表面;（二）多種藥物可經(jīng)抑制肌動(dòng)球蛋白收縮而增強(qiáng)上述效果。定量估計(jì)聚集成球狀的鈣粘蛋白表達(dá)細(xì)胞間的作用力（73），超過了脂質(zhì)雙分子層內(nèi)聚力強(qiáng)度的比率依賴程度 低至2至3mN/m（75），并說明其單位黏附能力比預(yù)期的單個(gè)細(xì)胞鈣粘素綁定能力要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。如此龐大的細(xì)胞間作用力可能是由于細(xì)胞骨架甚至伸縮力的影響（因?yàn)間/btÀ 1到10毫米，為一種壓力纖維長度級(jí)），特別是因?yàn)橛性絹碓蕉嗟淖C據(jù)表明細(xì)胞骨架RhoGTPase普遍發(fā)送信號(hào)介導(dǎo)整合蛋白和鈣粘蛋白形成黏附（76-79）。很久以前人們就在思索收縮在細(xì)胞分選中的作用（80），但此審查結(jié)果表