整合素和细胞骨架在细胞力传导中的作用

整合素和细胞骨架在力信号转化为细胞内生化信号 ,进而引发相应的生理或病理反应中起着重要作用。同时 ,细胞外基质 (ECM ) -整合素 -细胞骨架 (CSK)轴系统与膜离子通道。

基于坐标变换理论分析Ilizarov骨外固定架矫形力传导效率

背景:Ilizarov骨外固定架力传导机制的研究对膝内外翻、胫骨骨折等临床畸形矫治手术具有重要意义。目的:分析胫骨矫治过程中Ilizarov骨外固定架的力传导机制和各矫形力变化情况,客观评价外固定架整体使用效果。方法:根据骨外固定器的构型,基于坐标变换理论建立矫形力矩阵关系式,得到调节力、支撑力和牵张力之间的数学转换关系。搭建专用实验台,以羊胫骨为实验对象进行胫骨矫治实验,测得骨外固定架调节杆上调节力、支撑杆上的支撑力及断骨处的牵张力,计算得出断骨处的牵张力理论值,与六维力传感器测得的牵张力实际值对比,得出矫治过程的力传导效率变化曲线。结果与结论:①在矫治过程中,Ilizarov骨外固定架的结构构型导致其调节杆和支撑杆存在相互作用和制约的情况,当某一调节力增大时另一调节力将出现下降的趋势;②力传导效率在前期存在较大幅度的增大,然后稳定在50%上下波动,实验结果可评估外固定架的整体矫治效果;③由于力传导过程中的损耗,断骨处的牵张力理论计算和实验结果曲线存在数值上的差别,但由实验结果可知,调节力、支撑力、牵张力理论值和牵张力实际值的整体力变化趋势基本一致,说明理论计算和实验结果的有效性,该实验量化评估结果可为Ilizarov骨外固定架构型的优化设计和胫骨矫治手术的精准调控提供参考。

血管内皮细胞糖萼与力传导

血管内皮细胞糖萼是位于内皮细胞顶膜的一层绒毛状多糖蛋白复合结构,是血管壁的选择性通透屏障.主要在协助红细胞顺利通过毛细血管、抑制血细胞对内皮的粘附及信号传递等过程中发挥重要的生理作用.大量研究证据表明糖萼可能还参与了内皮细胞对剪切力的感受和传导.在简要介绍了糖萼的结构及生理功能的基础上,本文着重对糖萼在力传导方面的研究进展进行了综述.

Hybrid手术对颈椎力传导方式的影响

目的研究人工椎间盘置换（total disc replacement,TDR）合并融合的Hybrid手术后颈椎的力传导模式,从生物力学角度加深对Hybrid手术的认识。方法建立正常颈椎有限元模型（INTACT模型）,模拟C4~6节段退变的3种手术方案：上置换＋下融合（TDR45模型）、上融合＋下置换（TDR56模型）、双节段融合（Fusion456模型）。结果所有手术模型中,融合节段的活动能力完全丧失,置换节段的活动能力有所增加。在160 N轴向力作用下,INTACT模型整个节段后伸4°,而TDR45与TDR56模型的颈椎节段分别后伸8.2°与8.9°。在TDR56模型中,经过C5椎体的力减少20%,经过置换节段小关节的力增加3.8倍。在TDR45模型中,经过置换节段小关节的力增加50%。INTACT模型的最大关节应力为0.8 MPa,而TDR45与TDR56模型置换节段的小关节应力均高达正常颈椎的2倍。结论由于置换节段活动范围的增加,Hybrid术后颈椎曲度在轴向力作用下发生较大改变（后伸）。这种改变将导致经过置换节段椎体的力有所减少,而经过小关节的力有所增加,从而增加置换节段小关节的应力。

微流控通道内细胞及其初级纤毛的力传导行为

细胞处于复杂的生理环境之下,附着在细胞表面的初级纤毛被认为是重要的力学信号传感器,其与细胞的代谢、发育、分裂和增殖等生理活动密切相关.为了研究细胞及其初级纤毛在微流体环境下的力传导行为,本文建立了力−电协同驱动下的矩形微流控通道和含有多孔黏弹性属性的贴壁细胞有限元模型系统.考察了细胞的细胞质和细胞核在振荡层流下的应力、应变、孔隙压力和孔隙流速等力学信号响应,量化研究了初级纤毛作为细胞独特的力学感受器的生物力学行为.结果表明:细胞在振荡层流下的力学响应表现出和外加力−电驱动载荷相同的震荡规律.渗透率是细胞多孔弹性力学行为的主要影响因素.初级纤毛是细胞主要的力学感受器,细胞可以通过纤毛长度和直径调节其力学感受敏感性(应力影响区域),随着初级纤毛长度的增大,其纤毛挠曲刚度减小,但是敏感性增大.模型的建立为进一步研究微流体剪切作用下的细胞生长、分化等微观机理提供基础,同时也为检测细胞微结构器(纤毛等蛋白链)的力学性能提供了理论技术支持.

LINC复合体与细胞内机械力传导

细胞作为力学感受器,可以感知、传递施加在其表面的机械力并调整自身力学性能,维持自身稳定。机械力从细胞表面或细胞质传递到细胞核依赖于完整的细胞骨架系统,该系统包括细胞质骨架和细胞核骨架两部分,而LINC复合体则是两者实现机械连接的桥梁,因此其在细胞内机械力传导中发挥着重要作用。综述LINC复合体传导机械力的结构基础和机械力传导引起的细胞核形态、转录因子的出入核以及染色质的空间构象的改变,为进一步探讨LINC复合体在细胞机械力传导过程中的作用及其对基因表达的影响奠定基础。

高位斜置双叉臂独立悬架力传导机构的开发与应用

针对某车型双叉臂独立悬架在前期实际道路试验中出现的车身安装板开裂问题,基于零部件受力分析及CAE仿真,找出问题真正原因并提出两种解决方案。通过仿真分析和道路验证,最终确定采用力传导机构,比较巧妙地解决了开裂问题。

斜井取套管柱轴向力传导计算方法

斜井取套施工过程中,套管和扶正器的存在使得取套管柱轴向力的计算更加复杂,给现场取套过程中施工参数的合理选择带来了不便。本文通过综合考虑套管与套铣筒接触、扶正器及套铣筒与井壁接触的三个影响取套管柱轴向力传导的因素,建立了一种行之有效的轴向力传导计算方法,并利用数值方法进行了求解,计算得出:1套管对轴向力的传递影响较小,轴向力损失主要在扶正器和新接触点处;2选择合理的扶正器间距能够有效的改善取套管柱轴向力的传导情况。该方法的得出对于取套施工参数的选择、套铣头是否切坏套管的判断以及套铣管柱结构的优化设计具有重要意义。

6种草坪草叶片的气孔特征与气孔传导力

野牛草Buchloedaclyloides,结缕草Zoysicasinica和狗牙根Crnodondactylon叶片的气孔呈卵圆形,长宽比小于2.5,狗牙根和野牛草叶片气孔上覆有腊质。早熟禾Poapratensis,黑麦草Loliumperenne和苇状羊茅Festucaaroundinacea叶片的气孔呈椭圆形,长宽比大于2.5。3种冷季型草坪草叶片的气孔孔径大于暖季型草的,而气孔的密度暖季型草的则比冷季型草的大。冷季型草的气孔传导力1d中有2个高峰,而暖季型草为单峰型,早熟禾和结缕草的气孔传导力比其他4种草要小,气孔传导力越大则意味着蒸腾耗水越多,因为气孔开放程度越大。

机械张应力刺激对PLGA-胶原复合培养大鼠成肌细胞整合素偶联激酶表达的影响

目的研究PLGA(poly lactide-co-glycolide)-胶原复合支架上大鼠成肌细胞体外张应力作用下整合素偶联激酶(ILK)的表达变化,探索其力学信号转导过程。方法体外培养大鼠成肌细胞,实验组接种于黏附有PLGA-胶原复合生物支架的加力板,对照组接种于空白加力板,然后使用"Forcel"四点弯曲循环应变加载装置加载。利用RT-PCR技术,检测不同时间点细胞ILK mRNA的表达,比较三维PLGA-胶原复合支架上和二维平面上培养的细胞在张应力作用下基因水平的表达差异。结果张应力刺激下,同一时间点三维支架上细胞ILK的表达明显高于二维平面上的细胞;在加载过程中,三维支架上细胞ILK的表达水平明显提高,而且更快达到峰值。结论培养环境的三维空间结构对细胞在力学刺激作用下的初期反应起重要作用。

骨形态发生蛋白/Smad信号转导机制及其对离心力刺激的响应

骨形态发生蛋白(BMP)是一类转化生长因子-β超家族成员的多功能分泌型信号分子,参与调节多种细胞的增殖、分化和程序性死亡,在组织器官的形成、胚胎的发育和损伤组织的修复中起关键作用。Smad蛋白是BMP细胞内信号转导和调节分子,可以直接将BMP细胞外信号从细胞膜转导入细胞核,构成BMP/Smad信号转导通路,而BMP/Smad信号转导通路在调节牵张成骨新骨形成中发挥着重要作用。笔者下面就体外培养细胞离心力加载装置和BMP/Smad信号转导机制及其对离心力刺激的响应作一综述。

微环境通过细胞骨架张力对骨髓间充质干细胞成骨分化的影响

细胞外基质(extracellular matrix,ECM)是微环境中为细胞提供力学线索的主要元件。干细胞对基质力学信号改变的响应主要通过细胞骨架实现。细胞外基质性能改变后,力学信号经信号复合体传递,细胞骨架作为贯穿细胞整体的网状支架结构,在分子马达的作用下纤维重组产生张力,该力学信号可以转导为化学信号或直接传递至细胞核骨架,产生一系列对干细胞干性、增殖、分化以及凋亡的影响。骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells,BMSCs)对于骨改建和治疗具有重要的意义。总结微环境改变后细胞骨架张力在BMSCs成骨分化过程中的影响及力信号响应机制。

一种剪应力作用下ATP调节的血管内皮细胞内钙离子动力学数学模型

考虑剪应力诱导血管内皮细胞钙离子内流主要取决于经由三磷酸腺苷(ATP)门控离子通道P2X4的钙离子内流这一实验事实,提出一个修正的剪应力诱导钙离子内流模型,认为钙离子内流量不仅取决于细胞膜内外钙离子浓度差,而且受细胞表面ATP浓度调节.同时利用文献中公布的实验结果,建立了一个新的静态ATP分泌模型,并将其整合到修正后的钙离子内流模型中,建立了一个描述动脉内皮细胞内非线性钙离子动力学系统.求解整合后动力学系统的控制方程,可获得内皮细胞在剪应力作用下受ATP调节的钙离子响应.结果表明,与文献中其他模型比较,改进后的模型模拟的结果能更真实地反映实验事实.

力学改变激活软骨细胞介导创伤性骨关节炎的研究进展

创伤性骨关节炎(post-traumatic osteoarthritis,PTOA)与运动医学紧密相关,发病机制复杂、大多难以治愈,一直是临床关注的重点。软骨细胞作为关节软骨中唯一的固有细胞,在创伤性骨关节炎的发病机制和病程进展中占有重要的地位。近年来关于软骨细胞介导骨关节炎的研究大多集中在机制、通路以及潜在治疗靶点的探索上,多方面生物学效应共同作用及促炎和抗炎反应的不平衡可视为PTOA的主要发病机制。本文依据近年来骨关节炎发病机制的研究,对力学改变激活软骨细胞介导PTOA的相关研究成果进行归纳。

对细胞与分子生物力学中一些挑战性问题的思考

细胞与分子生物力学是生物力学的前沿领域,也是力学与生命科学的前沿交叉领域,其基础性和复杂性对生物力学的研究提出了很多挑战性的问题。本文将围绕细胞的力学性质及模型,力学与化学的耦合问题,以及多尺度的力学建模等几个问题进行简要论述和思考,同时对本专栏中的论文进行了简要的介绍和评述,以期引起生物力学工作者以及广大力学工作者的兴趣和共鸣。

受载骨内液流刺激信号的跨尺度传导行为

目的探索在生理载荷诱导下骨内液流刺激信号在不同尺度上的传导行为。方法利用COMSOL Multiphysics软件建立多尺度三维有限元模型,从宏观-细观-微观不同尺度分析孔隙压力和流速在不同尺度上的变化规律。结果在宏细观尺度上,靠近骨外膜和骨内膜处骨单元内的压力和流速分布与其他部位的骨单元有明显不同;在细微观尺度上,由于不同尺度的结构和材料参数差别较大,载荷和流体压力在由宏观传递到微观的过程中会引起不同的生物力学响应。结论对骨组织进行骨结构-骨单元-骨陷窝-骨小管的多尺度分层建模,为更深层次理解骨内液流信号传递和力传导提供理论参考。

《应力纤维调控干细胞分化作用机制的研究进展》点评

干细胞是组织再生重要的种子细胞来源,也是肿瘤治疗的研究热点。应力纤维(SF)广泛存在于干细胞及成体细胞中,参与细胞的形态维持/改变、迁移、分化等多种生命活动过程,是机械信号传递的重要物质基础。机械刺激不仅可诱导干细胞定向分化,还可影响肿瘤细胞的迁移及侵袭,但机械刺激如何通过SF将刺激信号传递到细胞核内以调控细胞的行为?针对这一问题,《应力纤维调控干细胞分化的作用机制研究进展》一文重点概述了SF调控干细胞分化的主要途径以及相应的分子机制,并提出了后续的研究方向,这为利用SF调控干细胞的分化和肿瘤的治疗提供了理论依据。