单轴周期性压缩对细胞骨架与细胞膜生物力学特性的作用

目的细胞感应局部力环境后自身结构发生改变,特别是细胞骨架的排布发生重定向。本研究旨在分析细胞受到单轴周期性压缩后,细胞骨架排布的改变以及对细胞膜拉伸应变的影响。从而明确细胞增强响应周期性力刺激的生物力学机制。方法 通过定制的细胞周期性力学刺激装置对细胞进行静态与周期性的压缩应力刺激;然后对静态压缩(幅值:75~175 Pa;时间:10~60 min)以及单轴周期性压缩刺激(幅值100 Pa;频率:0.25~10 Hz;时间:60 min)后的细胞进行肌动蛋白细胞骨架染色,量化分析细胞肌动蛋白丝在不同周期性压力刺激下的取向变化;最后进行单细胞黏弹性有限元建模,计算细胞骨架的取向对细胞膜的拉伸应变的量化关系。结果 随着静态压缩应力作用时间的增加,细胞肌动蛋白应力纤维与细胞长轴夹角增大(9°增大到34°),且细胞膜表面最大主应变的平均值与峰值分别增大1.8%与17%,表明细胞在静态压缩下细胞损伤风险增加;而最佳频率为0.25 Hz的周期性压力下的细胞肌动蛋白应力纤维与细胞长轴夹角减小至12.5°,细胞膜表面最大主应变的平均值与峰值也分别减小4.1%与25%。结论 静态压缩应力会导致细胞肌动蛋白骨架的取向偏离细胞长轴,周期性压缩应力会改善细胞骨架的取向,并降低细胞膜的平均拉伸应变,保护细胞免受机械损伤。