西安交大徐光魁教授课题组 JMPS: “矛盾”的细胞硬化与软化标度律流变学特性

2022-07-19 来源：高分子科技

心脏的跳动、肺部的充气以及肠道的蠕动等使得不同功能和类型的细胞类型承受着极大的应力。应力是对细胞生长、分化、迁移、重塑和基因表达强有力的刺激。实验结果表明细胞在单轴及双轴的拉伸载荷下会显示出“矛盾”的硬化-软化的幂律流变学行为，并发生向固体或流体状态的转变。目前，关于细胞的硬化-软化力学响应的研究主要集中在分子层次，主要的细胞模型只能解释细胞硬化或软化的某个方面，其在不同加载条件下的“矛盾”的流变学行为的形成机制以及其中所蕴含的物理规律尚不明确。细胞硬化-软化涉及到的机制不仅与特定的信号中间物的介导有关，也与细胞骨架网络的力学行为密切相关。

为了探究细胞在拉伸载荷下的幂律流变学行为及其所蕴含的物理规律，西安交通大学徐光魁教授通过建立考虑加载条件的多尺度细胞结构力学模型（图 1），研究了细胞在单轴拉伸载荷下的硬化以及双轴拉伸载荷下的软化的幂律流变学行为的形成机制。此外，通过自相似多级结构模型，使用标度律指数与细胞刚度的关系将看似矛盾的细胞硬化和流化行为统一起来。

图 1 细胞力学建模以及单轴和双轴拉伸载荷下的细胞力学模型

细胞的硬化-软化幂律流变学行为

细胞在两种载荷形式下分别出现了硬化和软化的流变学行为（图 2），硬化过程中伴随着向固体特性的转变而流化过程则伴随着向流体转变的流变学行为，但是在这两个看似矛盾的流变学行为中却具有统一的物理规律，即细胞的幂律流变学响应以及细胞刚度与细胞标度律指数之间的统一的物理关系。细胞在不同拉伸载荷下的流变学行为与离散的细胞骨架的形态变化密切相关：单轴拉伸载荷下，微管向载荷方向的几何旋转是细胞硬化的主要原因；而径向拉伸载荷下，轴向收缩所导致的细胞骨架纤维的屈曲（图 3）是细胞软化的主要原因。尽管细胞的流变学行为具有复杂性和异质性，但是细胞刚度与标度律指数的简单关系将细胞复杂的流变学力学行为统一起来。

图 2 细胞在单轴拉伸载荷下硬化与双轴拉伸载荷下软化的流变学行为

图 3 细胞在双轴拉伸载荷下的细胞骨架纤维的屈曲行为

细胞硬化-软化过程中的统一物理关系

通过建立含有不同数目微管（150 ~ 3200）的细胞模型，得到了它们在硬化和软化过程中的蠕变响应，作者发现含有不同数目微管的细胞在硬化-软化过程中下的标度律指数和细胞刚度都符合统一的物理关系。尽管细胞对单轴和双轴拉伸载荷表现出看似“矛盾”的流变学行为，但它们都遵循着相同的统一的物理规律，而这也是其他模型所不能解释的。加载条件对细胞流变学行为的影响进一步说明了离散的细胞骨架及其状态在细胞流变学中的关键作用。这些结果也说明细胞内部既是一个结构网络空间，又是一种软材料，其中生物大分子和机械影响是复杂的、不可分割的，但又结合起来产生简单而统一的物理学规律。细胞的标度律指数和细胞刚度之间呈现出了具有普适性的统一关系，它将细胞内复杂的流变学响应降低到只有两个参数（标度律指数和细胞刚度）的维度。这一统一的物理关系表明幂律流变学响应、应力硬化和瞬态拉伸载荷下的流化并不是相互独立的，而是通过细胞刚度作为纽带相互依赖。这使得在阐述细胞的流变学行为时可以忽略其中的复杂性和异质性，使用标度律指数、刚度以及细胞刚度与标度律指数的统一关系等来表征细胞的粘弹性力学行为，而将这些力学性能参数与生物物理因素联系起来，可以为癌症诊断等提供新的思路。

图 4 实验与模拟得到的标度律指数和细胞刚度都符合统一的物理关系

以上研究成果以“Stiffening and softening in the power-law rheological behaviors of cells”为题于6月16日在线发表在固体力学旗舰期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。论文第一作者为西安交通大学航天航空学院多尺度力学-医学交叉实验室博士生杭久涛，通讯作者是西安交通大学航天航空学院徐光魁教授。此前，徐光魁教授课题组针对细胞材料独特的幂律蠕变响应和群体迁移运动已进行了相关研究，成果发表在《Nature Communications》(2021, 12, 6067)、《Science Advances》(2022, 8, eabn6093)和Biophysical Journal (2022, 121, 1931-1939，封面文章)等。这些研究得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金的资助。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022509622001806

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（责任编辑：xu）

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