细胞在循环拉伸后重新定位可能是由于局灶粘连的不稳定性

介绍

细胞在循环拉伸后的定向是一个有趣的现象，近年来引起了科学界的广泛关注。当对底物上的细胞施加单轴循环拉伸时，它们逐渐旋转到几乎垂直于拉伸方向[1]。细胞重定向的特征时间与拉伸幅度和循环频率密切相关。实验表明，该特征时间随拉伸幅度的增加而减小，随拉伸频率的增加而减小，直至在1hz左右达到饱和[1]。各种各样的模型已经被开发出来，为循环拉伸下细胞重定向的潜在机制提供了重要的见解，然而，这仍然是难以捉摸的。

在我们努力理解这一现象的过程中，我们考虑了一种由应力纤维(SF)组成的机械传感系统，该系统通过两端的两个焦点粘附(FAs)粘附在基材上。在简化中，假设FAs由一簇分子键组成，这些分子键都可以是滑动键或捕获滑动键。对于滑移键，其寿命随作用力的增大而单调减小。对于抓滑键，它的寿命首先随着力的增加而增加，然后随着力的增加而减少，这与直觉相反。随后，利用有限元分析和蒙特卡罗方法的耦合方法模拟了该机械传感系统在循环加载下的不稳定性[2，3.]。

在模拟中，我们发现在循环加载下，一簇滑移键通常会变得不稳定[2]。滑移键簇的寿命一般随拉伸幅度的增加而减小，也随循环频率的增加而减小，直到在1hz左右达到饱和[2]。这些结果与实验结果一致[1]。在模拟中，滑移键簇也可能表现为“不寻常的稳定性增强”，其中簇的稳定性可以大大增强。这种情况只发生在循环加载频率相对较低、幅值相对较高的情况下，这似乎与传统的工程材料疲劳理论相矛盾。

在对捕获-滑动键簇的研究中，我们首先基于双态模型探讨了单个捕获键的时间依赖性行为[3.]。在力灯载荷下，可能存在两种具有相似寿命-力分布的抓滑键[3.]。然而，当将不同的力施加于任一类型的单一抓滑键时，它们在力历史依赖性或键强度方面的表现非常不同[3.]。尽管两种类型的捕获键在单个分子水平上的行为存在显著差异，但我们发现，任一类型的捕获-滑动键簇在循环载荷下通常变得不稳定[3.]，这也与实验结果一致[3.]。

我们的数值模拟表明，一簇分子键，无论是滑动键还是捕获-滑动键，都可能在循环载荷下变得不稳定，这支持了我们最近开发的ELSA模型的先前预测[4]。ELSA模型分析预测，循环加载往往会使FAs失稳，由此导致的FAs滑动或重新定位将导致相关的sf缩短并旋转到几乎垂直于加载方向[4]。把这些作品放在一起[2-4]，我们认为FAs的不稳定性可能是细胞在循环拉伸时重新定向的关键[1]。

参考文献

1. Jungbauer S (2008)周期拉伸底物上成纤维细胞频率依赖动态重定向的两种特征机制。生物学报，35(5):369 - 378。
2. 陈鑫，陈斌(2014)用有限元分析和蒙特卡罗方法耦合探测滑动键簇在循环荷载作用下的不稳定性。[J] .机械工程学报，31(2):1104 - 1104。
3. 陈旭，毛志，陈斌(2015)基于双态模型的捕获键随时间的力学行为探测。科学报告5:7868。
4. 陈斌(2012)循环拉伸通过破坏焦点粘附中的捕获键来诱导细胞在底物上的重新定向。公共科学图书馆，7:48346。