短暂机械拉伸导致的人体膀胱平滑肌细胞的液化及其再固化

摘要

在人体内的细胞长期受到各种力学刺激,比如,人体气道平滑肌细胞随着大约平均6秒一次的的呼吸频率进行着收缩和拉伸;胃壁与肠道的细胞因为胃肠道的蠕动而受到相应的力学刺激;血管内皮细胞受到血液流动引起的剪切应力;膀胱平滑肌细胞在膀胱储存和排放尿液的时候受到相应的收缩和拉伸,等等。广泛的研究表明,这些力学刺激显著地影响了活体细胞的结构和功能,因此,如果能在体外实验中准确模拟细胞在其体内生理环境中所受到的力学机械刺激,将会在细胞生理学,病理学的领域取得更新的研究突破。
　　 目前,国内外细胞力学领域在人体细胞如何响应外力刺激这个方向内,主要集中研究剪切应力对血管壁内皮细胞的影响,以及机械拉伸对相应平滑肌细胞的影响。而对于后者的研究主要采用长时间持续拉伸或者周期性拉伸,结果显示会加快肌动蛋白的聚合作用,增强粘着斑的组装,从而导致细胞硬度增加,使其形态更接近固态。此外,对细胞的长时间拉伸触发并激活了相关的生物化学信号通路,导致细胞在数秒内或者数分钟内硬度增强。机械拉伸导致的细胞硬化被认为是维持细胞和组织结构完整性的一种保护机制。与此形成鲜明对比的是,最近的一些研究发现,当细胞受到短暂的机械拉伸时会急剧软化,使其形态更接近液态。同时,细胞骨架的重构速率也迅速加快。当拉伸停止后,细胞缓慢地再固化,细胞骨架的重构速率大大降低。这个现象在亚细胞水平,单细胞水平以及组织水平得到观察证实。“液化”现象为细胞提供了另外一种机制以适应动态环境。对于机械拉伸,细胞硬化和细胞软化两种机制相辅相成,共同维持细胞物理结构的动态平衡。
　　 为了进一步研究短暂机械拉伸导致的细胞液化的内在机理,本研究以人体膀胱平滑肌作为实验载体,首先,测试了应变为10％的短暂拉伸对细胞硬度,细胞牵引力,纤维型肌动蛋白的形态和所占比例的影响;其次,抑制一些在持续拉伸中有重要调控作用的信号通路,观察液化现象是否也会收到抑制;最后,我们对细胞施加应变同样为10％的短暂压缩,对比短暂拉伸和短暂压缩对细胞产生的不同效应。我们的主要研究内容和结果如下:
　　 ①利用磁微粒扭转细胞测量技术测试细胞的弹性模量;用显微镜测量牵张力技术测试细胞牵张力;用荧光染色技术对纤维型肌动蛋白染色,观测其形态变化;用western blotting检测纤维型肌动蛋白和球型肌动蛋白的比例。在短暂拉伸之后,细胞硬度和纤维型肌动蛋白强度水平降低了大约50％,细胞牵引力减小了大约70％,说明细胞迅速“液化”。拉伸停止5分钟之后,和拉伸前相比,纤维型肌动蛋白的强度水平完全恢复,细胞硬度恢复至原来的90％左右,细胞牵引力恢复至原来的60％左右,说明细胞经历再固化。
　　 ②往细胞培养液里添加相应的抑制剂对在持续拉伸中有重要调控作用的信号通路进行干扰抑制,然后对细胞施加短暂机械拉伸,结果显示细胞液化的程度和重新固化的速率和未受到抑制的细胞基本一致,说明这些信号通路没有参与调控由短暂拉伸引起的细胞液化和再固化这个过程。
　　 ③对细胞施加短暂的机械压缩,然后测量细胞的弹性模量和纤维型肌动蛋白的强度变化,并与短暂拉伸后的结果进行对比。结果显示,和短暂拉伸不同,短暂压缩不能改变细胞的硬度,也没有影响纤维型肌动蛋白的强度。结果表明,细胞能够感受来自外界的不同的力,只有短暂拉伸产生的拉伸力能够导致纤维型肌动蛋白细胞骨架的分裂和重新装配,从而引起细胞的液化和再固化。
　　 综上所述,这些结果表明,纤维型肌动蛋白在液化过程中迅速分裂,在再固化过程中缓慢重新装配。对于膀胱平滑肌细胞而言,由短暂拉伸引起的液化现象不是通过化学信号通路产生,而是由于拉伸力的突然释放导致的纤维型肌动蛋白的分裂产生的。