Cơ học Tế bào và Mô

Cách các tế bào và mô biến dạng, chảy và phục hồi dưới tác dụng của lực, được coi là vật liệu mềm nhớt đàn hồi có độ cứng phản ánh cấu trúc bên trong của chúng.

Definition

Cơ học tế bào và mô là mô tả cách các tế bào và mô phản ứng với các lực và biến dạng tác dụng, được đặc trưng bởi các mô đun đàn hồi và hành vi thư giãn nhớt đàn hồi.

Scope

Chủ đề này bao gồm đặc tính cơ học của tế bào và mô: các khái niệm về ứng suất, biến dạng, độ đàn hồi và tính nhớt đàn hồi áp dụng cho vật chất sinh học mềm, vai trò của bộ xương tế bào và chất nền ngoại bào trong việc thiết lập độ cứng, và các kỹ thuật được sử dụng để đo phản ứng cơ học. Cơ học bộ xương tế bào ở cấp độ phân tử và cảm biến lực được đề cập trong các chủ đề lân cận; ở đây trọng tâm là hành vi vật liệu của tế bào và mô nói chung.

Core questions

• Ứng suất, biến dạng và mô đun đàn hồi được định nghĩa như thế nào đối với vật liệu sinh học mềm?
• Tại sao tế bào và mô lại có tính nhớt đàn hồi chứ không phải chỉ đàn hồi thuần túy?
• Những cấu trúc bên trong nào thiết lập độ cứng của một tế bào hoặc mô?
• Phản ứng cơ học của tế bào và mô được đo như thế nào?

Key theories

Phản ứng nhớt đàn hồi của mô mềm

Tế bào và mô kết hợp lưu trữ đàn hồi và tiêu tán nhớt, do đó phản ứng của chúng với biến dạng phụ thuộc vào tốc độ và thời gian, tạo ra các hiện tượng như thư giãn ứng suất và từ biến mà một mô đun đàn hồi đơn lẻ không thể nắm bắt được.

Độ cứng được xác định bởi cấu trúc

Độ cứng đo được của một tế bào hoặc mô phản ánh kiến trúc bên trong của nó—mạng lưới bộ xương tế bào, sức căng màng và chất nền ngoại bào—chứ không phải một hằng số vật liệu nội tại, do đó cơ học báo cáo về cấu trúc.

Mechanisms

Các vật liệu sinh học mềm biến dạng dưới ứng suất với cả thành phần đàn hồi tức thời và thành phần nhớt phụ thuộc thời gian, bởi vì các yếu tố chịu tải của chúng là mạng lưới polymer và chất lỏng chứ không phải chất rắn cứng. Trong tế bào, bộ xương tế bào và màng thiết lập phản ứng; trong mô, chất nền ngoại bào và các liên kết tế bào-tế bào bổ sung cấu trúc. Các đầu dò như kính hiển vi lực nguyên tử, hút vi ống và đo lưu biến áp dụng biến dạng được kiểm soát và ghi lại lực hoặc sự thư giãn kết quả, tạo ra các mô đun thay đổi theo tốc độ và lịch sử tải.

Clinical relevance

Độ cứng của mô thay đổi theo xơ hóa, lão hóa và tiến triển khối u, và kiểu hình cơ học của tế bào được nghiên cứu như một dấu hiệu của trạng thái, vì vậy cơ học ở đây là bối cảnh giáo dục cho cơ sinh học và bệnh lý học chứ không phải lời khuyên chẩn đoán hoặc điều trị.

History

Cơ sinh học liên tục của mô, được hệ thống hóa bởi Fung vào nửa sau thế kỷ XX, đã được mở rộng xuống các tế bào đơn lẻ khi thao tác vi mô và kính hiển vi lực nguyên tử giúp có thể đo trực tiếp độ đàn hồi và sự thư giãn nhớt đàn hồi của tế bào.

Key figures

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

Seminal works

• fung1993
• boal2012

Frequently asked questions

Mô có tính nhớt đàn hồi nghĩa là gì?

Nó phản ứng với lực một phần giống như một chất rắn đàn hồi bật trở lại và một phần giống như một chất lỏng nhớt chảy, do đó hành vi của nó phụ thuộc vào tốc độ và thời gian tác dụng lực.

Độ cứng của tế bào có ý nghĩa sinh học không?

Có; độ cứng của tế bào phản ánh tổ chức và trạng thái bộ xương tế bào của nó, và những thay đổi về độ cứng đi kèm với các quá trình như biệt hóa, di chuyển và bệnh tật, làm cho nó trở thành một chỉ số vật lý có giá trị thông tin.