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我国生物力学研究现状与展望
生物力学是研究生命体运动和变形的学科,通过生物学与力学原理方法的有机结合,认识生命过程的规律,解决生命与健康领域的科学问题.生物力学研究领域新的主要进展和发展趋势是力学生物学和生物力学建模分析及其临床应用.文中介绍了我国生物力学研究在心血管力学生物学、分子生物力学、骨关节与软组织生物力学、临床医学和康复工程生物力学,以及生物力学在空间生命科学、生物材料、体育运动和生物医学技术中应用与交叉等领域所取得的具有国际水平的新成果.这些研究不仅对于揭示正常机体生长、发育和衰老的机理和自然规律,而且对于阐明机体疾病的发病机理以及提供诊断和治疗的一些基本原理,包括新型药物和新技术的研发,都将有重要的理论和实际意义.展望我国生物力学学科发展,应进一步加强学科交叉融合与交叉创新能力,在解决关键科学问题,明确力学因素在疾病发生发展中作用的同时,要致力于发展相关的新技术新方法,紧密联系临床防病治病,在提出具有生物力学特色的新思路上有所作为,为人类健康事业做出应有的贡献.
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对细胞施加力学作用的实验方法
对细胞施加力学作用的实验方法有很多种,但大多是对体内、体外环境中某一力学因素的模拟.按照所模拟力的来源不同,分为模拟体内力学环境的实验方法和模拟体外力学环境的实验方法两类.模拟体内力学环境的实验方法主要有:流动剪切力法、静水压法、圆周应力法、基底拉伸法;模拟体外力学环境的实验方法主要有:微重力细胞培养法、离心力场法、气体加压法、声波刺激法、微光束辐照法.另外,还有一类用于研究单细胞力学特性的实验方法,主要有微管吸吮法、原子力显微镜悬臂刺激法、磁珠扭转法和光钳法.本文针对这些主要的实验方法进行综述.
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一种新型神经干细胞脉冲加载生物反应器的研制
目的:模拟颅内的力学环境,研制可对神经干细胞实施动态脉冲加载装置和灌流培养的系统.方法:动态监测侧脑室的颅内压变化及生化指标,明确脉冲载荷的形成机理与颅内的生物学环境;设计并构建动态脉冲加载装置和灌流培养系统,检测加载装置的稳定性、可靠性及精确度,并对培养系统的密闭性、无菌性及生物学环境进行测量.利用Instron仪器及应变仪测量细胞培养栽体生物的半透膜力学性能及应变情况,并测量其生物相容性.结果:该生物反应器连续运转14 d后,培养液中无细菌生长;可基本模拟颅内的生物学及力学环境,可形成精确、稳定的脉冲加栽;生物半透膜的生物相容性理想,力学及应变测量符合细胞培养的要求.结论:该生物反应器可作为动态培养环境下神经干细胞力学生物学机理研究较可靠的培养系统和加载装置.
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与应力调控相关的基因选择性剪接
背景:适当的力学环境是生物体正常生长发育、结构重建以及功能维持的重要因素,也是损伤组织功能性修复的关键因素之一.应力调控基因表达不仅体现在基因的开关或表达水平的调节,还可以体现在转录后的选择性剪接.目的:结合力生长因子介绍选择性剪接这种新的应力调控方式,并推测可能的调控机制.方法:检索PubMed 数据库(1964/2010)、CNKI数据库(2000/2009)有关力信号转导和基因选择性剪接方面的综述文章和研究报告,分析二者的联系和可能的调控机制.结果与结论:应力刺激可以导致肌细胞、成骨细胞中的胰岛素样生长因子1基因发生选择性剪接,产生一种新的应力敏感的生长因子力生长因子,这种新型调控方式的机制还不明确,推测与应力导致的剪接小体的位置(位移运动)以及改变了剪接酶(如RNP酶)的位置和空间结构(变形)有关.
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针对细胞高加速度离心式加载机的研制
背景：随着科技和现代航空航天事业的发展，极端力学环境高加速度的力学生物学影响越来越受到重视，研究表明高加速度对细胞有一定的影响。目的：以离心机为基础，设计离心式加载机用于高加速度加载下细胞的力学生物学研究。方法：对于离心式加载机，培养板或/和培养瓶加入培养液进行恒加速度或变速度加载，探索实验可行性；另外，根据其转子结构和性能，利用 ANSYS 有限元分析软件建立其有限元模型，分别在平衡状态下和危险工况下的转子系统进行仿真计算，分析转子系统的应力和变形分布情况。对危险工况下的主轴进行强度校核，并将ANSYS 分析结果与强度校核结果进行对比。结果与结论：通过实验表明培养板或/和培养瓶可以用于(0-40)×g的恒加速度或变加速度加载；模拟对比分析证明了细胞离心式加载机的可靠性，该加载机实现了一般生物学实验室在高加速度下力学生物学的研究，也为未来细胞离心加载机广泛应用提供了基础。
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力学因素在间充质干细胞构建功能性组织工程化软骨中的作用
间充质干细胞具有多向分化潜能,可定向分化为软骨组织,并且取材广泛、体外扩增能力强,是广泛应用于软骨组织工程的理想细胞之一.由于关节软骨具有重要的生物力学功能,需要强调和评估间充质干细胞构建组织工程化软骨组织的力学生物学性能.为更好地了解和认识修复软骨的诱导因素、信号通路与力学特性之间的关系,本文回顾了间充质干细胞在功能性软骨组织工程研究中的力学生物学研究进展,并论述了该领域内目前存在的问题及若干可供探索的途径和新方向.
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力-血管蛋白质组学研究进展
力学因素调控血管生理性稳态和病理性重建的机制是力学生物学中应力-生长研究的重要内容,迄今尚未完全阐明.蛋白质组学这一高通量、系统性的新技术在血管力学生物学领域的应用,将生物力学、蛋白质组学、生物信息学与分子生物学相关研究理念和研究技术相结合,能够为心血管疾病发病机理研究和血管重建药物治疗靶向的寻找提供一个全新的力学生物学视角,也体现了学科交叉融合的创新特色和科学价值.近年来,上海交通大学力学生物学研究所遵循“力学生物学实验发现现象-生物信息学分析-生物学实验验证结论”开展了多学科相结合的系统性研究,建立了可能的血管细胞内机械应力信号传导网络.此外,基于力-血管蛋白质组学研究,揭示了60多种新的、可能参与了机械应力细胞内信号传导过程的信号分子,并深入探讨部分分子在应力调控血管细胞功能中的作用及分子机制.在研究所工作的基础上,综述了近年来力-血管蛋白质组学相关研究进展.力-血管蛋白质组学的研究工作有望为高血压、动脉粥样硬化等心血管疾病血管重建病理机制揭示、临床治疗潜在靶点寻找提供重要的力学生物学实验依据.
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细胞核结构与力学生物学
机体所有的组织都受到由细胞自身和细胞外环境所产生的生物机械力(Biomechanical force)的作用.生物机械力既可诱导细胞增殖,亦可诱导细胞死亡.而生理学水平的生物机械力是器官结构与功能发育和维持的必要条件之一,提高或降低生物机械力则可导致细胞死亡,引发机体一系列病理学变化.在真核细胞中,细胞核含有染色体组,是转录凋节场所.细胞核是大和硬的细胞器.除了承受通过细胞骨架所传递的来自于细胞外部的生物机械力作用,细胞核内染色质结构的后天性修饰也会改变核的物理性质.在细胞发育、分化、成熟和衰老等基本生命过程中,细胞核的形状和结构组分均会发生变化,从而改变细胞核内基因表达,实现对生物机械力的应答反应.然而,细胞核自身如何感知力学信号并对其发生应答反应,仍不清楚.在这里,我们回顾了当前关于细胞核结构与细胞核力学生物学的相关文献以及它们的研究现状.讨论了细胞核和核结构蛋白的力学研究,诸如,核纤层蛋白(Lamins);细胞内与细胞外的生物机械力对细胞核形状和结构的影响;力诱导的变化如何转变为细胞信号传导和基因转录.但要更深入地了解核细胞核的形状、结构和核材料性质与细胞核力学生物学间的关系,了解生物机械力与基因组相互作用的直接机制,则需要进一步系统地深入地研究.
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心血管力学生物学研究的新进展
力学生物学研究力学环境对生物体健康、疾病或损伤的影响,研究生物体的力学信号感受和响应机制,阐明机体的力学过程与生物学过程如生长、重建、适应性变化和修复等之间的相互关系,从而发展有疗效的或有诊断意义的新技术.本刊报道了国内心血管力学生物学研究的一些新进展.心血管力学生物学探讨血管的"应力-生长"关系,阐明力学因素如何产生生物学效应而导致血管重建;基于心血管系统建模与定量分析,建立精确规范的心血管功能新的无创检测和分析技术.这些研究不仅对于揭示正常血液循环的生物力学机理,认识血管生长、衰老的自然规律,而且对于阐明血管疾病的发病机理以及提供诊断、治疗的一些基本原理包括心血管新型药物和新技术的研发都将有重要的理论和实际意义.
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两种钛合金-骨界面的力学生物学研究
目的 研究两种钛合金-骨界面的力学及生物学特性,从力学生物学的角度探讨不同钛合金-骨界面对骨细胞生物学行为的影响.方法 通过建立钛合金内植物与骨相互作用的力学模型,分析材料属性变化对钛合金-骨界面力学性能变化的影响.通过动物体内实验,运用Micro-CT分析技术及组织切片观察不同钛合金-骨界面骨细胞生物学行为.结果 钛合金-骨界面力学模型的理论推导和分析提示:TAV-骨界面的相对位移约是Ti2448-骨界面的相对位移的1.8倍.动物实验结果提示:Ti2448-骨界面周围骨质骨矿含量及骨质量均优于TAV-骨界面周围骨质.结论 对于钛合金-骨界面而言,相对位移可能是力影响骨细胞功能的作用因素,较小的相对位移更有利于界面骨细胞的增殖,通过降低材料弹性模量,能够有效减低钛合金-骨界面相对位移,是实现钛合金-骨界面的更好愈合的可行方案.
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FRET技术在应力信号转导研究中的应用
机械应力对细胞增殖、迁移、分化等行为存在显著影响,其应力信号转导的机制是力学生物学研究的热点之一.荧光共振能量转移(FRET)技术实现了在活细胞内实时动态观察信号蛋白的活性变化,为应力信号转导的深入研究提供了有力工具.本文综述了FRET技术的原理及其在应力信号转导研究领域中的应用进展.
