本文是一篇关于细胞对生物物理微环境力学感知的综述，详细介绍了数学模型在细胞力学调控中的应用。文章由Bo Cheng等人撰写，发表在《Physics of Life Reviews》上，主要探讨了细胞如何通过力学感知来响应微环境中的各种生物物理信号，包括动态应变、渗透冲击、流体剪切应力、外部机械力、基质刚度和微通道及基质形状等。通过对这些模型的分析，文章旨在揭示细胞力学感知的机制，并评估现有模型的优缺点，同时讨论未来的研究方向和挑战
细胞在体内处于一个复杂的微环境中，这个环境既包含生化信号也包含生物物理信号。细胞通过行为如铺展、迁移和分化来响应这些信号，这些行为可能引发如转移和纤维化等重大病理变化。理解细胞如何将环境的生物物理特性转化为细胞内信号，对于揭示细胞行为的调控机制至关重要。近年来，随着对细胞力学感知机制的研究深入，许多数学模型被开发出来，以解释细胞对微环境中生物物理线索的响应。
文章通过文献综述的方式，对现有的数学模型进行了系统的分类和分析。这些模型基于不同的生物物理线索，包括动态应变、渗透冲击、流体剪切应力、外部机械力、基质刚度和微通道及基质形状等。文章详细讨论了这些模型的关键成功点和失败点，并探讨了未来的研究机会和挑战。
动态应变的细胞力学感知
细胞对动态应变的感知主要通过细胞骨架重塑和细胞重新定向来实现。例如，心肌细胞在模拟哺乳动物长骨生长的条件下，会对静态或准静态拉伸产生响应，通过延长和沿拉伸方向定向来响应机械力。而许多组织细胞（如成纤维细胞和内皮细胞）更倾向于在高频和大拉伸幅度下沿施加的循环应变方向垂直排列。文章中提到的数学模型包括一维应力纤维模型和二维应力纤维网络模型，这些模型通过模拟细胞骨架的力学行为来解释细胞如何感知和响应动态应变。
渗透冲击的细胞力学感知
细胞通过激活细胞膜皮质表面的机械敏感离子通道来感知渗透冲击。这些通道通过机械力平衡来调节细胞体积和膜张力。文章中提到的化学力学模型通过模拟Rho信号通路的激活来解释细胞如何维持体积和膜张力的稳态。
图3.
细胞对渗透性休克、流体剪切的机械感应应力和机械力
流体剪切应力的细胞力学感知
内皮细胞受到血流的剪切应力和心脏压力周期的拉伸影响。文章中的Rho GTPase信号/应力纤维-粘着耦合模型通过模拟细胞骨架网络如何将剪切应力传递到细胞粘着点，进而影响粘着动力学和细胞骨架重塑，来解释细胞如何响应流体剪切应力。
外部机械力的细胞力学感知
细胞通过动态改变细胞骨架和粘着点来感知和响应外部负载。文章中的多尺度细胞骨架-肌球蛋白-膜（MCMM）模型通过模拟细胞膜和细胞骨架的力学行为，解释了细胞如何在微管吸引过程中积累肌球蛋白II和α-actinin。
基质刚度的细胞力学感知
基质刚度对细胞迁移、形状和分化有重要影响。文章中的分子 clutch 模型通过模拟细胞粘着蛋白的动力学行为，解释了细胞如何通过粘着蛋白的力学特性来感知基质刚度。此外，文章还讨论了核纤层-A在基质刚度感知中的作用，以及基质刚度如何通过影响细胞内信号通路来调控细胞分化。
图4.
细胞机械感应对基质刚性的反应：粘附动力学
微通道和基质形状的细胞力学感知
细胞在二维基质上的迁移受到配体密度和整合素-纤维连接亲和力的影响。文章中的三维细胞迁移模型通过模拟细胞在不同微图案几何形状和微通道中的迁移行为，解释了细胞如何感知和响应微环境的几何约束。
