细胞核黏弹性的测量与研究

细胞核是调节细胞内遗传和代谢活动的中枢。研究它的力学性质对于理解细胞核如何转导细胞内、外的力学信号,从而确保基因组的完整表达非常重要。然而,一个具有普适性的细胞核力学模型仍然是难以捉摸的。这项工作基于原子力显微镜压痕实验对细胞核的黏弹性进行了研究。首先,注意到分离细胞核非常柔软,很小的外力就能产生大的变形,此时小变形、半空间假设下的经典接触模型不再适用,因此结合有限元仿真对细胞核的压痕实验进行合理准确建模(考虑实验样品曲率、刚性基底、大变形的影响),提出了适用范围更大的接触公式,用以精确测量细胞核的力学性质。通过分析3种不同类型的分离细胞核(L929核,Hep G2核,He La核)的力-压痕实验曲线,观察到细胞核的黏弹性行为倾向于简单的指数关系,而非细胞力学中普遍接受的幂律关系。因此,引入了一个双参数弹簧-黏壶固体模型来表征细胞核的黏弹性。该模型能独立描述细胞核的弹性和黏性,并且在拟合精度和参数简化方面大大优于现有模型。为了进一步评估此模型在探测细胞核内部结构改变和生物事件发生方面的鲁棒性,对He La细胞核进行了一系列生物干预。令人惊讶的是,在核内骨架、核内染色质、核内游离蛋白质的结构和数量发生改变时,该本构模型依旧稳定适用且能捕捉到弹性和黏性的显著变化,证实了其准确表征核黏弹性的能力。本研究为核黏弹性提供了新的见解,并证实了即使是复杂的亚细胞尺度结构也可以用简洁可靠的模型来描述其力学性质。