力學在生物體發育過程中扮演著重要角色,隨著細胞生物學的快速發展,力學因素在細胞尺度上的調控作用受到越來越多的關注。在不同類型、不同狀態的活細胞粘彈性響應中(圖1),存在著一個統一的標度律響應。盡管已有非常多的模型用于探究細胞的流變學行為,然而,細胞標度律響應是如何自發產生的?力學在其中扮演什么樣的角色?標度律指數中又蘊含著什么樣的物理規律?這些問題至今尚不清楚。
圖1 不同種類的細胞都展現出統一的標度律行為
本文首先建立了考慮細胞諸多組分的細胞結構模型(圖2),可以模擬細胞標度律流變學響應的眾多實驗現象。受結構模型啟發,建立了自相似的多級結構理論模型(圖3),揭示了標度律流變學的形成機制,發現了細胞剛度在標度律指數變化中的調控作用,給出了標度律指數與細胞剛度的統一關系以及相應的物理規律。該模型可以自發地再現蠕變柔量隨時間或復模量隨頻率變化的標度律響應規律,以及標度律指數與細胞剛度的普適關系。模型預測與不同類型的細胞、不同狀態的細胞實驗數據都相吻合。該研究表明,細胞材料普適的標度律響應主要取決于其統一的結構特征,而不是具體的分子特性。該項研究不僅可以為生物組織材料的仿生設計和應用提供理論基礎,還可以為醫學診斷、藥物開發以及預后評估提供新的思路和理論指導。
圖2 細胞的標度律流變學響應
圖3 自相似的細胞多級結構模型
以上研究成果以“A hierarchical cellular structural model to unravel the universal power-law rheological behavior of living cells”為題于10月18日在線發表在《自然-通訊》上。論文第一作者為西安交通大學航天航空學院多尺度力學-醫學交叉實驗室博士生杭久濤,通訊作者是西安交通大學航天航空學院多尺度力學-醫學交叉實驗室徐光魁教授以及新加坡南洋理工大學高華健教授。該研究得到國家自然科學基金和陜西省杰出青年科學基金的資助。
原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-26283-y
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