กลศาสตร์ของเซลล์และเนื้อเยื่อ

การที่เซลล์และเนื้อเยื่อทั้งหมดมีการเปลี่ยนรูป การไหล และการคืนตัวภายใต้แรง โดยถือว่าเป็นวัสดุหนืดหยุ่นอ่อนนุ่มซึ่งความแข็งสะท้อนถึงโครงสร้างภายใน

Definition

กลศาสตร์ของเซลล์และเนื้อเยื่อคือการอธิบายว่าเซลล์และเนื้อเยื่อตอบสนองต่อแรงและการเปลี่ยนรูปที่กระทำอย่างไร โดยมีลักษณะเฉพาะด้วยโมดูลัสความยืดหยุ่นและพฤติกรรมการคลายตัวแบบหนืดหยุ่น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมลักษณะทางกลของเซลล์และเนื้อเยื่อ: แนวคิดของความเค้น ความเครียด ความยืดหยุ่น และความหนืดหยุ่นที่นำมาใช้กับสสารชีวภาพอ่อนนุ่ม บทบาทของโครงร่างเซลล์และเมทริกซ์นอกเซลล์ในการกำหนดความแข็ง และเทคนิคที่ใช้ในการวัดการตอบสนองทางกล กลศาสตร์โครงร่างเซลล์ระดับโมเลกุลและการรับรู้แรงจะกล่าวถึงในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง; ในที่นี้จะเน้นที่พฤติกรรมของวัสดุของเซลล์และเนื้อเยื่อโดยรวม

Core questions

• ความเค้น ความเครียด และโมดูลัสความยืดหยุ่นถูกกำหนดสำหรับวัสดุชีวภาพอ่อนนุ่มอย่างไร?
• เหตุใดเซลล์และเนื้อเยื่อจึงมีความหนืดหยุ่นมากกว่าความยืดหยุ่นบริสุทธิ์?
• โครงสร้างภายในใดที่กำหนดความแข็งของเซลล์หรือเนื้อเยื่อ?
• การตอบสนองทางกลของเซลล์และเนื้อเยื่อวัดได้อย่างไร?

Key theories

การตอบสนองแบบหนืดหยุ่นของเนื้อเยื่ออ่อน

เซลล์และเนื้อเยื่อมีการรวมกันของการเก็บพลังงานยืดหยุ่นและการกระจายพลังงานหนืด ดังนั้นการตอบสนองต่อการเปลี่ยนรูปจึงขึ้นอยู่กับอัตราและเวลา ทำให้เกิดปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น การคลายความเค้นและการคืบ ซึ่งโมดูลัสความยืดหยุ่นเดี่ยวไม่สามารถอธิบายได้

ความแข็งที่กำหนดโดยโครงสร้าง

ความแข็งที่วัดได้ของเซลล์หรือเนื้อเยื่อสะท้อนถึงสถาปัตยกรรมภายในของมัน—เครือข่ายโครงร่างเซลล์ ความตึงของเยื่อหุ้มเซลล์ และเมทริกซ์นอกเซลล์—มากกว่าค่าคงที่ของวัสดุโดยเนื้อแท้ ดังนั้นกลศาสตร์จึงรายงานเกี่ยวกับโครงสร้าง

Mechanisms

วัสดุชีวภาพอ่อนนุ่มจะเปลี่ยนรูปภายใต้ความเค้นโดยมีทั้งองค์ประกอบยืดหยุ่นทันทีและองค์ประกอบหนืดที่ขึ้นกับเวลา เนื่องจากองค์ประกอบที่รับน้ำหนักเป็นเครือข่ายพอลิเมอร์และของเหลวมากกว่าของแข็งที่แข็งเกร็ง ในเซลล์ โครงร่างเซลล์และเยื่อหุ้มเซลล์เป็นตัวกำหนดการตอบสนอง; ในเนื้อเยื่อ เมทริกซ์นอกเซลล์และการยึดเกาะระหว่างเซลล์จะเพิ่มโครงสร้างเพิ่มเติม การตรวจสอบ เช่น กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม การดูดด้วยไมโครปิเปต และรีโอเมตรี จะใช้การเปลี่ยนรูปที่ควบคุมได้และบันทึกแรงหรือการคลายตัวที่เกิดขึ้น ทำให้ได้ค่าโมดูลัสที่แตกต่างกันไปตามอัตราและประวัติของการรับน้ำหนัก

Clinical relevance

ความแข็งของเนื้อเยื่อเปลี่ยนแปลงไปตามภาวะพังผืด อายุที่เพิ่มขึ้น และการลุกลามของเนื้องอก และมีการศึกษาฟีโนไทป์ทางกลของเซลล์เพื่อเป็นเครื่องหมายของสถานะ ดังนั้นกลศาสตร์ในที่นี้จึงเป็นบริบททางการศึกษาสำหรับกลศาสตร์ชีววิทยาและพยาธิวิทยามากกว่าคำแนะนำในการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

ชีวกลศาสตร์แบบต่อเนื่องของเนื้อเยื่อ ซึ่งจัดระบบโดย Fung ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ยี่สิบ ได้รับการขยายลงไปสู่เซลล์เดี่ยว เนื่องจากเทคนิคการจัดการขนาดเล็กและกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมทำให้สามารถวัดความยืดหยุ่นของเซลล์และการคลายตัวแบบหนืดหยุ่นได้โดยตรง

Key figures

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

Seminal works

• fung1993
• boal2012

Frequently asked questions

การที่เนื้อเยื่อมีความหนืดหยุ่นหมายความว่าอย่างไร?

มันตอบสนองต่อแรงบางส่วนเหมือนของแข็งยืดหยุ่นที่เด้งกลับ และบางส่วนเหมือนของเหลวหนืดที่ไหล ดังนั้นพฤติกรรมของมันจึงขึ้นอยู่กับความเร็วและระยะเวลาที่ใช้แรง

ความแข็งของเซลล์มีความหมายทางชีววิทยาหรือไม่?

มี; ความแข็งของเซลล์สะท้อนถึงการจัดระเบียบและสถานะของโครงร่างเซลล์ และการเปลี่ยนแปลงความแข็งจะมาพร้อมกับกระบวนการต่างๆ เช่น การแยกความแตกต่าง การเคลื่อนย้าย และโรค ทำให้เป็นข้อมูลทางกายภาพที่มีประโยชน์