細胞および組織の力学

細胞全体や組織が、力の下でどのように変形し、流動し、回復するかを、その内部構造を反映する柔らかい粘弾性材料として扱う。

Definition

細胞および組織の力学とは、細胞や組織が加えられた力や変形にどのように応答するかを、弾性率や粘弾性緩和挙動によって特徴づける記述である。

Scope

このトピックでは、細胞および組織の機械的特性評価について扱います。具体的には、応力、ひずみ、弾性、粘弾性の概念を柔らかい生体物質に適用すること、細胞骨格および細胞外マトリックスが剛性を決定する役割、そして機械的応答を測定するために用いられる技術についてです。分子スケールの細胞骨格力学および力感知は隣接するトピックで扱われるため、ここでは細胞および組織全体の材料挙動に焦点を当てます。

Core questions

• 柔らかい生体材料における応力、ひずみ、弾性率はどのように定義されますか？
• 細胞や組織が純粋な弾性体ではなく粘弾性体であるのはなぜですか？
• 細胞や組織の剛性を決定する内部構造は何ですか？
• 細胞や組織の機械的応答はどのように測定されますか？

Key theories

軟組織の粘弾性応答

細胞や組織は弾性貯蔵と粘性散逸を組み合わせているため、変形に対する応答は速度と時間に依存し、単一の弾性率では捉えきれない応力緩和やクリープといった現象を示す。

構造によって決定される剛性

細胞や組織の測定された剛性は、固有の材料定数ではなく、細胞骨格ネットワーク、膜張力、細胞外マトリックスといったその内部構造を反映しているため、力学は構造に関する情報を提供する。

Mechanisms

柔らかい生体材料は、その荷重支持要素が硬い固体ではなく高分子ネットワークと流体であるため、応力下で即時的な弾性成分と時間依存性の粘性成分の両方をもって変形します。細胞においては、細胞骨格と細胞膜が応答を決定し、組織においては、細胞外マトリックスと細胞間接着がさらなる構造を加えます。原子間力顕微鏡、マイクロピペット吸引、レオメトリーなどのプローブは、制御された変形を加え、結果として生じる力や緩和を記録し、荷重の速度や履歴によって変化する弾性率を導き出します。

Clinical relevance

組織の剛性は線維症、加齢、腫瘍の進行に伴って変化し、細胞の機械的表現型は状態のマーカーとして研究されているため、ここでの力学は診断や治療のアドバイスというよりも、メカノバイオロジーや病理学の教育的文脈として位置づけられます。

History

20世紀後半にFungによって体系化された組織の連続体力学は、マイクロマニピュレーションや原子間力顕微鏡によって細胞の弾性や粘弾性緩和を直接測定することが可能になったことで、単一細胞へと拡張された。

Key figures

• Y. C. Fung
• Donald Ingber
• Dennis Discher

Seminal works

• fung1993
• boal2012

Frequently asked questions

組織が粘弾性であるとはどういう意味ですか？

それは、一部は跳ね返る弾性固体のように、一部は流れる粘性流体のように力に反応するため、その挙動は力が加えられる速さや時間に依存します。

細胞の剛性は生物学的に何か意味がありますか？

はい。細胞の剛性は細胞骨格の組織化と状態を反映しており、剛性の変化は分化、移動、疾患などのプロセスに伴って生じるため、有益な物理的読み取り値となります。