如何探究剪切力细胞层面的影响

摘要

剪切力在生物学中起着重要作用。在这篇文章中,我们将探讨剪切应力对人体细胞的影响以及在细胞培养中适当应用的重要性。

一、什么是剪应力?

在成年人体内水分高达60%。水储存在细胞内外,构成细胞内液和细胞外液。细胞外液主要可分为组织液和血浆;其他水基细胞外液包括淋巴液、脑脊液、滑液、胸膜液、心包液、腹膜液和眼液等。

只要有流体就会存在剪切力。在生物学和血管过程中,流体作用于细胞表面。例如,血流作为摩擦力作用于血管壁的内皮表面,产生剪切力。这种机械现象通过机械转导过程、调节细胞形态、增殖、分化、代谢、通讯和帮助形成屏障,对组织功能和生物反应有很大影响。那么,究竟什么是剪应力?

剪应力(Ʈ)定义为切向力(F)作用在表面(面积=A)上时施加的机械力:

Ʈ=F/A

对于具有恒定粘度的牛顿流体,剪切力取决于粘度(ɳ)和剪切速率(dv/dz)

Ʈ=ɳ(dv/dz)

尽管剪应力的国际单位是帕斯卡(Pa),但对于心血管系统和生物应用,剪应力更普遍使用dynes/cm2。1Pa=10dynes/cm2

二、剪应力对细胞的影响

有许多种类的细胞不断受到流体剪切力的作用。例如血管和淋巴系统中的内皮细胞暴露于循环血液和淋巴液中。根据所处的环境不同,剪切力也可能会发生变化,在动脉中,其剪切力为30dynes/cm2,而在静脉血管和毛细血管中,剪切力为1dynes/cm2。据研究表明,内皮剪切力会改变细胞骨架组织、细胞形状和基因表达,增加细胞内钙浓度,触发一氧化氮产生并产生肌动蛋白应力纤维形成的变化,在流动方向上对齐和重塑微丝网络。

另一方面,来自不同组织的上皮细胞也暴露于剪切应力。肾脏中复杂的肾小管网络具有过滤功能,每分钟可过滤120毫升,即每天180升。因此,每个肾单位的上皮细胞都暴露在肾小球滤液的剪应力下,其剪应力大约为0.1-1dynes/cm2。一些研究表明,肾近端小管上皮细胞在剪切应力存在下导致纤毛的形成。此外,与静止培养的肾上皮细胞相比,调节信号转导,改善上皮细胞结构,导致细胞体积增加,水通道蛋白、阳离子转运蛋白和离子通道极化更大。

肺泡周围的血管也不断受到血流剪切力的影响。然而,在肺泡毛细血管屏障的空气侧也会产生剪切力。在我们每次呼吸时,气道内衬的上皮细胞都会受到气流产生的剪切力的影响,在静止呼吸时为0.5-3dynes/cm2。这些力已被证明可以促进产生气道上皮屏障功能、粘液产生和纤毛搏动排列。

此外,在人体肠道中,由肠壁蠕动引起的消化液流动会影响消化管内壁的肠上皮细胞,其值为0.002-0.08 dynes/cm2。应用微流控芯片,可以发现流体流动和剪切力可加速肠上皮细胞分化,形成3D绒毛状结构,并增强肠屏障功能,重现正常人类肠道的许多复杂功能。

很明显,剪切应力在组织和器官的功能中起着关键作用。与以前的体外细胞培养平台不同,微流控芯片是一种强大的模拟体外检测工具,可以原位控制流动和剪切应力。因此,该技术非常适用于药物筛选和毒理学测试的模拟真实生物环境的研究。

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