机械通讯为理解大尺度细胞生理提供了物理视角。细胞集体迁移在体内常见，但基质张力在其中的作用尚不清楚。为模拟体内条件，作者在含50% Matrigel和1 mg/mL I型胶原的弹性基质水凝胶上培养肾上皮MDCK细胞，并构建稳定表达核定位ERK FRET生物传感器EKAREV-NLS的细胞系，以监测机械响应中的ERK活性。结果显示，细...
机械线索通过物理力向生化响应的持续转化调控细胞命运与行为，但现有机械刺激与生化检测技术兼容性差，难以实时表征机械刺激下产生的生化信号。本文报道一种磁响应纳米网（MRnM）生物传感器，可在体外细胞和体内组织中施加机械刺激，并同步检测被触发的生物分子。在外磁场作用下，该传感器具有远程、可控且可定制的变形能力，同时保持突出且稳定的电化学传...
渗透压冲击或坏死引起的核变形可激活胞质磷脂酶A2（cPla2）核形状感知通路，该通路是组织炎症与修复的关键调控机制。以往认为钙离子（Ca2+）和核内膜张力（TINM）介导核质中cPla2的激活，但TINM是否足以持续存在并驱动cPla2与核内膜结合仍不清楚，且连续内质网（ER）可能通过膜流动快速耗散TINM。为填补这一空白，作者开发...
水凝胶是一类具有可调物理化学性质的三维水凝胶平台，可通过材料工程调控其刚度、孔径、黏弹性、微结构、可降解性、配体呈现和刺激响应性，从而影响细胞信号级联与细胞命运。本文首先简要介绍水凝胶的物理化学性质与制备策略，随后系统阐述不同水凝胶性质对细胞行为和细胞信号事件的影响，包括整合素聚集、黏着斑复合体积累与激活、细胞骨架重排、蛋白核质穿梭...
活细胞对外界机械和电刺激的响应在调控其生物学功能与行为中起重要作用，但传统全局刺激方法难以在亚细胞水平研究动态生理响应机制，且缺乏低成本、易操作的局部机械力与电刺激手段。本文以单个碳纳米线圈（CNC）作为微尺度非侵入工具，对单个骨肉瘤细胞施加局部机械力或电刺激，并采用荧光共振能量转移（FRET）成像技术检测细胞响应。首先证明 CNC...
细胞在外部应力下通过细胞稳态（allostasis）改变形态、代谢与功能，以机械方式适应动态局部环境。为探索细胞稳态中的机械转导，作者构建了集成微机械系统，将超声镊子机械刺激器与基于 Förster 共振能量转移（FRET）的分子力生物传感器 actinin-sstFRET 结合，实时原位监测瞬态刺激下单细胞机械稳态。超声镊子利用 ...
遗传编码的 FRET（Förster 共振能量转移）张力传感器可测量活细胞或完整生物体中单个分子上的皮牛级力学张力。这类生物传感器在无张力时具有相对较高的 FRET 效率，当施加力时 FRET 效率迅速下降。本文描述如何针对特定目标蛋白构建此类传感器，并讨论用于确认所观察到的 FRET 效率差异确实反映分子张力变化的对照实验。由于所...
机械生物学关注机械力如何影响细胞行为，而 Förster 共振能量转移（FRET）张力传感器可通过发射光变化测量蛋白质上的分子尺度力。然而，这类传感器的测量可靠性与可重复性尚未被充分检验。本文针对敏化发射成像，开发了提高测量精度的数值方法，用于更准确地估计 FRET 效率校准常数。作者以 vinculin 张力传感器（VinTS）为...
在细胞间通讯中，物理与生化线索的相互作用对信息交换和功能协调至关重要，但在单个活细胞中可视化细胞间信号动态仍具挑战。本文报道一种基于激光微剪刀和 Förster 共振能量转移（FRET）显微镜的光学方法，用于研究细胞间信号传递。首先，利用高通量筛选平台开发了高灵敏 FRET 生物传感器 SCAGE，用于监测细胞间相互作用和信号级联的...
机械转导是指机械力调控细胞功能的过程，近年来在多种生理与病理背景下受到关注。虽然机械力多在细胞-基质和细胞-细胞黏附处研究，但最新工作表明核 LINC 复合体也承受机械力。本文描述如何在 LINC 复合体蛋白 nesprin-2G 中使用基于 Förster 共振能量转移（FRET）的张力生物传感器 TSmod。该传感器由一对可发生...
CAS（Crk相关底物，p130Cas）是一种黏着斑中的对接蛋白，也被认为是初级机械感受器。其结构域的独特排列对机械感受功能至关重要：N端SH3域和C端CCH域负责将CAS锚定于黏着斑，中央可拉伸的底物域（SD）在机械张力下发生构象变化并暴露隐蔽酪氨酸，随后被Src家族激酶磷酸化，从而启动下游信号。现有模型认为两个锚定域作用相同。本...
许多器官（如肺、心脏、肠道）的机械感受由机械敏感离子通道等生物传感器介导，将机械刺激转化为电信号和/或生化信号。为研究这些通路，需要能对细胞施加应变曲线并同时进行活细胞显微分析的装置。器官中的应变常为复杂多轴，而多数机械生物学装置采用弹性膜对贴壁细胞施加纵向单轴拉伸。本文报道一种各向同性细胞拉伸系统（IsoStretcher），采用...
初级纤毛是多数哺乳动物细胞表面的非运动性天线状结构，在软骨、骨和肾等组织的化学与机械感知中起关键作用。肾上皮中流致细胞内钙离子升高依赖初级纤毛及纤毛定位的钙通透通道多囊蛋白-2（PC2）和瞬时受体电位香草酸4（TRPV4），但骨细胞机械转导的分子机制尚不清楚。作者将基于荧光共振能量转移（FRET）的钙离子生物传感器与初级纤毛特异性蛋...
细胞-细胞与细胞-细胞外基质（ECM）黏附之间的力学耦联调控胚胎发育和组织稳态中的细胞形态变化。本研究利用ECM微图案化改变MDCK细胞对的铺展面积和长宽比，驱动不同细胞骨架应变能状态和细胞牵引力，并采用FRET张力生物传感器检测E-钙黏蛋白分子张力。结果显示，连续周边ECM黏附使细胞-细胞和细胞-ECM力随铺展面积增加而增大；将E...
随着机械刺激在生物学过程中重要性日益受到重视，测量活细胞内特定蛋白所受力成为研究热点。基于 Förster 共振能量转移（FRET）的分子张力传感器使这类研究成为可能，并帮助揭示细胞感知和响应周围机械环境的机制。构建和使用 FRET 张力传感器的流程可分为构建、成像与分析三部分。本文首先综述多种遗传编码 FRET 张力传感器的构建方...
间充质干细胞（MSCs）是再生医学细胞治疗的重要候选细胞，其功能可受机械微环境调控。外部机械线索可被感知并转化为胞内钙动态，进而调节多种细胞过程。近期研究显示，人骨髓间充质干细胞（hMSCs）具有异质性，部分hMSCs缺乏自发钙振荡。本研究探讨外部机械张力能否以及如何触发并恢复这些缺乏自发活动的hMSCs中的胞内钙振荡。作者利用基于...
血流产生的流体剪切应力（FSS）通过内皮细胞连接机械传感复合体调控血管发育、血压和动脉粥样硬化。既往研究提示 PECAM-1 在流动中受力并启动信号，但机制不清。本研究基于已建立的 FRET 张力生物传感器，开发并验证了 VE-cadherin 和 PECAM-1 的 FRET 张力探针。静态培养中，细胞连接处 VE-cadheri...
骨是受机械载荷等信号持续重塑的动态组织，机械载荷不足可诱发废用性骨质疏松，降低骨量与结构完整性。β-catenin信号与GTPase网络在载荷驱动骨形成中起关键作用，但其在骨丢失中的相互作用尚不清楚。本研究利用基于荧光共振能量转移（FRET）的RhoA生物传感器和荧光TCF/LEF报告基因，检测clinostat模拟卸载对成骨细胞中...
成骨细胞在负载驱动骨形成中起关键作用，可通过骨细胞机械传感信号激活 Wnt 通路，但其对机械刺激的响应及小 GTPase RhoA 在机械转导中的作用尚不清楚。本研究以 MC3T3-E1 成骨样细胞为模型，在 10 dyn/cm² 单向流体剪切应力处理 1 h 条件下，检验 RhoA 信号是否介导细胞对流动剪切应力的响应。通过全基因...
触觉是皮肤机械刺激产生的复杂感觉，其基本单元为皮肤机械感受器。本文旨在建立一种框架，将传入机械感受器在动态压缩载荷下的行为建模为纳米尺度生物传感器，并采用多变量回归技术进行表征。由于系统包含连续输入变量和对应神经动作电位的单一二值输出变量，作者选择多变量逻辑回归模型。该方法用于量化 10 条来自大鼠毛皮的快速适应传入神经对压缩应力、...