纽约布鲁克林，2019年8月19日星期一——纽约大学坦登工程学院的研究人员发现了一种新方法，通过将机械工程和物理原理应用于现在已经很好理解的过程，来识别单个细胞的状态。宏观，但还不是细胞层面：损伤、疾病等应激因素如何迫使生物体进入新的平衡层面——寻找一种被称为动态平衡“新常态”的生物过程。研究者的研究成果对高血压、糖尿病等慢性疾病的诊断和分期具有重要意义。
该团队由机械与航空航天工程及生物医学工程助理教授陈伟强和机械与航空航天工程行业助理教授Vittoria Flamini领衔，利用活细胞成像和新型微机械工具，对细胞施加瞬时局部物理压力，同时测量动态抑制反应、细胞骨架(CSK)等细胞结构和细胞能量张力。
这项名为“机械驱动细胞的能量介导的机械动力学”的研究将在《高级材料》上发表，该研究将详细介绍该团队如何测量机械应力和细胞能量，并将应力模式与型慢性病患者的细胞进行比较。糖尿病，允许他们建立糖尿病和其他疾病的预测模型。
为了研究细胞如何通过机械和能量相关的过程“重塑”外界刺激，研究团队采用了陈研发的镊子，利用超声波脉冲和附着在细胞膜上的“微泡”——脉冲扰动气泡——对细胞施加机械力。该团队将血管肌肉测试细胞嵌入含有弹性聚二甲基硅氧烷(PDMS)微柱的基质中。这种布置允许他们通过测量微柱基底的偏转来量化操作期间的细胞力和能量。荧光显微镜使该团队能够直观地监控压力如何重组CSK，尤其是其成分肌动蛋白和肌球蛋白，就像子午线钢带轮胎中的金属纤维一样。
利用实验结果，该团队建立了一个新的能量驱动细胞机器的生物物理模型，以了解细胞中的动态平衡。在这个过程中，细胞能量不仅提供自适应驱动力，还提供负反馈，帮助细胞系统重新稳定。
“扭曲的能量模式和细胞不适应可能表明健康状况已经变成了一种病态环境，比如糖尿病、高血压或衰老，”陈说。
在引入细胞产生特定功能障碍的细胞模型(即疾病表型)之前、期间和之后，研究人员测试了四种CSK张力、肌动蛋白和肌球蛋白以及净能量的表现。例如，在这种模式下，作为肌动蛋白纤维的细胞CSK结构的破坏会导致弱适应过程，这可以揭示病理状况，例如糖尿病，而细胞中肌动蛋白聚合的过度活性会导致“长时间兴奋”或“低反应性”，而没有“关闭”时间。高血压及其他疾病的扰动。
弗拉米尼说：“能量平衡是健康的代表。“能量和物理参与细胞行为；概念证明是能源模型如何看待不同的条件。我们已经证明，我们可以预测这一点。”
她解释说：“通过变化实现稳定的能力是一种关键的生物适应，使生物体能够稳定内部和外部环境的变化。“然而，尚不清楚它是如何在单个细胞中发生的。我们的研究为单细胞系统解决了这个问题，其中能量起着关键作用。”
魏强补充说，“该团队与NYU朗科健康的同事合作，专注于心血管疾病，因为它们与血管细胞的机械行为直接相关。例如，在动脉瘤中，炎症会影响调节血管细胞弹性的蛋白质。现在我们正在这样研究疾病发展的机械力。”
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