Механика клеток и тканей

Как целые клетки и ткани деформируются, текут и восстанавливаются под действием силы, рассматриваемые как мягкие вязкоупругие материалы, жесткость которых отражает их внутреннюю структуру.

Definition

Механика клеток и тканей — это описание того, как клетки и ткани реагируют на приложенные силы и деформации, характеризующееся модулями упругости и вязкоупругим релаксационным поведением.

Scope

Эта тема охватывает механическую характеристику клеток и тканей: понятия напряжения, деформации, упругости и вязкоупругости, применимые к мягким биологическим материалам, роль цитоскелета и внеклеточного матрикса в определении жесткости, а также методы, используемые для измерения механического отклика. Механика цитоскелета на молекулярном уровне и восприятие силы рассматриваются в смежных темах; здесь основное внимание уделяется материальному поведению клеток и тканей в целом.

Core questions

• Как определяются напряжение, деформация и модуль упругости для мягких биологических материалов?
• Почему клетки и ткани являются вязкоупругими, а не чисто упругими?
• Какие внутренние структуры определяют жесткость клетки или ткани?
• Как измеряется механический отклик клеток и тканей?

Key theories

Вязкоупругий отклик мягких тканей

Клетки и ткани сочетают упругое накопление и вязкую диссипацию, поэтому их отклик на деформацию зависит от скорости и времени, что приводит к таким явлениям, как релаксация напряжений и ползучесть, которые не могут быть описаны одним модулем упругости.

Жесткость, определяемая структурой

Измеренная жесткость клетки или ткани отражает ее внутреннюю архитектуру — цитоскелетные сети, натяжение мембраны и внеклеточный матрикс — а не внутреннюю материальную константу, поэтому механика сообщает о структуре.

Mechanisms

Мягкие биологические материалы деформируются под напряжением как с немедленным упругим компонентом, так и с зависящим от времени вязким компонентом, поскольку их несущие элементы представляют собой полимерные сети и жидкости, а не жесткие твердые тела. В клетках цитоскелет и мембрана определяют отклик; в тканях внеклеточный матрикс и межклеточные адгезии добавляют дополнительную структуру. Зонды, такие как атомно-силовая микроскопия, аспирация микропипеткой и реометрия, применяют контролируемую деформацию и регистрируют результирующую силу или релаксацию, давая модули, которые варьируются в зависимости от скорости и истории нагружения.

Clinical relevance

Жесткость тканей изменяется при фиброзе, старении и прогрессировании опухоли, а механический фенотип клеток изучается как маркер состояния, поэтому механика здесь является образовательным контекстом для механобиологии и патологии, а не диагностическим или лечебным советом.

History

Континуальная биомеханика тканей, систематизированная Фунгом во второй половине двадцатого века, была распространена на отдельные клетки, поскольку микроманипуляции и атомно-силовая микроскопия позволили напрямую измерять клеточную упругость и вязкоупругую релаксацию.

Key figures

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

Seminal works

• fung1993
• boal2012

Frequently asked questions

Что значит, что ткань вязкоупругая?

Она реагирует на силу частично как упругое твердое тело, которое отскакивает, и частично как вязкая жидкость, которая течет, поэтому ее поведение зависит от того, как быстро и как долго прикладывается сила.

Имеет ли жесткость клетки биологическое значение?

Да; жесткость клетки отражает ее цитоскелетную организацию и состояние, а изменения жесткости сопровождают такие процессы, как дифференцировка, миграция и заболевание, что делает ее информативным физическим показателем.