納米粒子與細胞相互作用的力學-化學偶聯研究進展

展金秀，馮峰，許敏，姚立,＊，葛茂發,＊

1中國科學院化學研究所，北京分子科學國家研究中心，分子動態與穩態結構實驗室，中國科學院分子科學科教融合卓越創新中心，北京 100190

2中國科學院大學，北京 100049

1 引言

隨著納米材料在生物醫學領域的廣泛應用，微納粒子與人體系統發生相互作用的機會越來越多。同時，大氣灰霾的污染也讓人體可能暴露于超細粒子的環境之中。這些情況讓人們越來越關注微納粒子的安全性問題，有必要了解微納米顆粒與生物系統相互作用的全面知識，建立微納米粒子的安全評價體系，保證其在各種領域的安全應用。已經有大量的研究表明，納米粒子(NPs)可能對細胞活力或細胞功能產生不利影響，如導致細胞凋亡、誘發炎癥、損傷DNA等1-3。然而，有關NPs與細胞相互作用的確切機制仍然不清楚。NPs細胞毒性已經受到科學家的廣泛研究，越來越多的報道開始關注這些微納米粒子對細胞力學-化學偶聯(即細胞力學機械特性及其分子生物學機制)的影響。

細胞力學在細胞增殖、分化、凋亡等基本細胞功能中起著重要作用，胚胎發育、腫瘤轉移以及傷口愈合等復雜活動也受到細胞力學的影響。因此，全面了解納米粒子-細胞相互作用的細胞力學是十分必要的。細胞力學主要由細胞粘附系統和細胞骨架兩種細胞成分構成，通常涉及細胞產生力和通過粘附復合體傳遞力這兩個不同的過程。一方面，細胞可以通過粘附系統探測來自周圍環境的外力。細胞通過細胞-細胞/基質的粘附與細胞外基質(extracellular matrix，ECM)及鄰近細胞發生相互作用。這個過程涉及不同的粘附或連接結構和蛋白質。另一方面，細胞也可以對環境施加機械力。例如，細胞骨架通過細胞骨架蛋白及運動蛋白復合物的動態組裝和拆解對其周圍施加力來重塑ECM。

NPs可以與細胞膜、細胞骨架和細胞器相互作用，從而導致細胞力學性質的改變。由于NPs的性質可以根據各種應用環境進行精心設計和控制，所以它們在體內的功能及其對生物系統的影響并不一致。目前的研究表明，NPs可以誘導細胞粘附和細胞骨架結構發生改變4-6。并且細胞剛度和遷移動力學與細胞粘附系統和細胞骨架結構密切相關。因此，細胞力學性質的擾動可以破壞細胞骨架結構，并進一步導致細胞剛性和收縮性發生相應變化。細胞骨架結構和功能的任何修飾以及細胞粘附性質的變化也會影響細胞的遷移性質，進而在胚胎發育、傷口愈合或免疫應答中發揮重要作用。

鑒于細胞力學-化學偶聯研究的迫切性和必要性，本文針對細胞機械力學的分子結構特性，總結了近五年來納米粒子與細胞相互作用的力學-化學偶聯研究相關進展。在介紹與細胞力學-化學偶聯性質相關的分子基礎(圖1)和涉及的納米生物技術(圖2)之后，重點介紹了納米粒子影響細胞機械性質的最新工作(見后文第4節中的圖3)，并在此基礎上進一步指出納米生物力學-化學偶聯的挑戰與展望。

2 細胞機械力學的分子基礎

2.1 細胞膜表面

細胞膜表面的粘附系統連接細胞內部骨架和細胞外部環境。細胞微環境的機械性質對細胞的分化和生長有著重要的影響。目前發現的影響細胞生長及行為的微環境機械力學因素包括ECM硬度及其拓撲結構、細胞在微環境中的空間受限程度、細胞所受周圍流體剪切力的大小及方向、細胞與細胞之間的擠壓與拉伸等7。細胞微環境對細胞所產生的影響是多參數相互平衡的結果。

在細胞膜表面的粘附系統中，ECM與細胞之間的相互作用主要通過整聯蛋白(integrin)調節完成8。整聯蛋白是位于細胞膜上的異質二聚體蛋白受體，調節細胞與ECM之間的粘附、細胞骨架的組裝和細胞內信號通路的激活。在細胞與ECM相互作用的過程中，整聯蛋白在傳遞化學信號的同時又轉導機械信號9。在細胞粘附的早期階段，整聯蛋白在細胞邊緣形成粘著復合物(focal complexes)，將細胞感知的外部微環境信號傳遞至細胞內部，同時將細胞內部的響應信號進行向外傳導，調整自身的活化狀態10。整聯蛋白進行信號傳遞時，位于粘著復合物上的銜接蛋白(如踝蛋白talin、紐蛋白vinculin、樁蛋白paxilin)和一些激酶(如粘著斑激酶Focal adhesion kinase FAK、Src及其反應底物p130 Cas)發揮著至關重要的作用11,12。例如，在傳遞細胞所感知的有關ECM機械性質的信號時，銜接蛋白talin首先與整聯蛋白形成弱相互作用鍵，對粘著復合物等初期粘附結構的形成起到關鍵作用13,14。當整聯蛋白所感知的機械力足夠大時，與之相連接的talin的結構會被打開并暴露出vinculin的結合位點，而vinculin與talin結合后會進一步增強整聯蛋白上的力學信號傳導15。同時，整聯蛋白在進行機械信號傳導時也會引起絡氨酸激酶、FAK和Src的磷酸化，將機械力學信號轉化為生物化學信號，參與調控細胞基因的表達和表型的表達16。隨著整聯蛋白激活信號傳導，通過募集斑聯蛋白zyxin，細胞最初粘附所形成的粘著復合物也會逐漸成熟，聚集在一起形成較大的粘著斑(focal adhesion，FA)，調控細胞的粘附與遷移等力學行為17。

圖1 細胞機械力學信號分子Fig.1 Cell mechanotransduction and molecules.

圖2 測量細胞機械力學的納米技術Fig.2 Nanotechnology-driven tools to determine cell mechanics.

細胞與細胞之間的粘附在維持組織完整性方面起著至關重要的作用，并且它們在細胞群之間傳遞張力從而調節集體細胞行為。細胞可以通過下調E-鈣粘蛋白(E-cadherin)介導的粘附連接來改變細胞-細胞粘附的力傳遞。鈣粘蛋白的轉換(從表達E-cadherin轉變為N-cadherin)伴隨著從細胞-細胞粘附連接到細胞-基質粘連的力的重新分布18。因此，理解粘附連接處力傳遞的分子機制十分重要。其中，機械張力誘導的α-連環蛋白(α-catenin)構象變化可以控制鈣粘蛋白-連環蛋白粘附連接處的力傳遞。α-連環蛋白還可通過調節與F-肌動蛋白、vinculin的力依賴性結合而起到機械傳感器的作用19。鈣粘蛋白也和整聯蛋白、肌動蛋白等細胞骨架相關聯，有研究表明它們之間的機械張力驅動對于細胞之間的力傳導是必不可少的20。vinculin是以力依賴性方式募集細胞-基質和細胞-細胞粘附的關鍵分子之一，其在相應粘連處的酪氨酸殘基處會被磷酸化，有利于連接的強化21。除整合素和鈣粘蛋白受體外，還有其他幾種細胞表面受體，如G蛋白偶聯受體、受體酪氨酸激酶、離子通道和糖萼，也與細胞粘附系統密切關聯22。此外，免疫球蛋白(Ig)家族的L1細胞粘附分子(L1-CAM)和神經細胞粘附分子(N-CAM)都與肌動蛋白直接或間接相關23,24。

2.2 細胞骨架

細胞骨架主要由微絲、微管和中間絲三部分組成，其中研究最多的當數微絲。細胞骨架微絲主要由肌動蛋白(actin)和肌球蛋白(myosin)組成。微球狀肌動蛋白(G-actin)可自組裝形成微絲狀的肌動蛋白(F-actin)。輔肌動蛋白(actinin)將不同的微絲狀肌動蛋白編制在一起形成細胞骨架的主要結構。Myosin位于F-actin之間，主要受到Rho及其下游效應子ROCK等蛋白的調控，為細胞的收縮運動提供原動力。近期研究發現，RhoA、Cdc42、Rac等多種Rho GTP酶是細胞粘附、遷移、骨架收縮等活動的主要調控蛋白10。RhoA可以通過myosin和成蛋白(formin)直接改變肌動球蛋白(actomyosin)收縮和應力纖維形成。Formin會使細胞骨架微絲進行直線型組裝，形成桿狀或者棒狀骨架，最終誘導細胞絲狀偽足(filopodia)的形成，并主要受蛋白因子Cdc42調控。與formin相比，Arp2/3則調節細胞骨架微絲組裝成網狀結構，有助于細胞片狀偽足(lamellipodia)的形成，而Rac在其中發揮著主導作用。Cofilin和Cap蛋白在細胞骨架微絲的解聚和封端過程中發揮作用。細胞微管作為一種動態的結構，可以通過抑制FA的收縮性和定位來阻止FA生長25。同時細胞微管為細胞內物質的運輸提供特定的軌道。細胞中間絲有助于細胞骨架的加固，與微管、微絲一起維持細胞形態和參與胞內物質運輸。

2.3 細胞核

由于細胞骨架的收縮，細胞核會受到很大的擠壓力。核被膜(nuclear envelop，NE)在感知機械信號和調整細胞核的形態及功能方面起著至關重要的作用。NE是雙膜結構，并且與亞核結構相關聯，例如核骨架和細胞骨架的連接復合物(LINC)、核孔復合物等。LINC復合物跨越NE結構，包含Nesprin和SUN(Sad1 Unc-84)蛋白。LINC復合物在細胞質和核質之間提供直接的物理連接，有利于來自ECM的機械信號轉導。在外部NE中，Nesprins與細胞骨架網絡和核周區域內的SUN蛋白相互作用。在內部NE中，SUN蛋白與核纖層蛋白和核質成分結合26,27。LINC復合物在許多方面類似于整聯蛋白在細胞表面的粘連，可作為跨核膜的機械力學傳導蛋白，允許力穿過NE以進行適當的核定位28。除了結構相似性之外，LINC復合物可以像細胞表面整聯蛋白一樣，進行結構重塑以響應力的傳導，從而加強細胞質和核層之間的交流29。

基底幾何形狀可以調節細胞骨架介導的應力和細胞核的形態。最近的證據表明由肌動球蛋白收縮力調節的染色體的相對取向可對基因組調控產生較大影響30,31?；|硬度、形貌和細胞幾何形狀等機械因素可以控制細胞核和細胞質之間轉錄輔助因子(如YAP和TAZ)的穿梭及其與細胞質的相互作用，其中F-actin的聚合與Hippo信號通路的激活對活化YAP/TAZ起到關鍵作用，進而影響非編碼RNA的活性、組蛋白的翻譯修飾和細胞中基因的表達32-34。

3 研究細胞機械力學的納米技術

3.1 牽引力顯微鏡

細胞牽引力(CTF)是細胞與ECM/基質相互作用時對底物產生的力，它來源于肌動球蛋白的收縮和肌動蛋白的聚合。牽引力顯微鏡(Traction Force Microscopy，TFM)可以通過分析細胞附著時基底上嵌入的熒光微納粒子的位移來測量細胞在二維或三維基底上產生的力35。由于細胞形狀、遷移及其他重要的細胞功能受CTF影響，因此可以利用牽引力顯微鏡來測量影響細胞遷移、分裂、形態變化和癌癥侵襲的收縮力及細胞粘附力等。

3.2 原子力顯微鏡

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM)可以測得pN量級微弱的相互作用力，適用于生理和病理條件研究生物系統內細胞、蛋白質和DNA等的相互作用36。目前，AFM已被用于分析單個細胞的機械性質，如膜的剛度、細胞骨架和細胞核的彈性和粘度。除了使用常規商業納米尺寸AFM尖端的細胞膜壓痕法來探測細胞力學，還可對AFM尖端進行修飾使其作為探針以獲得更優秀的性能，如使用附著于懸臂尖端的SiO2珠，增加探針與細胞膜的接觸面積，從而允許在細胞上進行深度壓痕(≈ 3 μm)而不穿透細胞膜，以進一步研究亞細胞結構的機械性質。

3.3 光鑷

光鑷(Optical Tweezers，OT)是一種光學捕獲技術，它可以對作用在細胞膜和細胞質上的力進行直接研究，因而被廣泛用于研究細胞機械力學性質37。通過光捕獲和操縱，產生由微粒、細胞、蛋白分子之間相互作用引起的光學力。在細胞的機械性質研究中，被光學操縱的微?？梢赃B接到質膜上，由細胞質內化或者被功能化從而靶向特異的膜轉運蛋白。近年來，光鑷技術發展快速。多光鑷裝置的發展允許多個光鑷在單個細胞上同時使用以提供不對稱應力。此外，光鑷也可以和AFM、熒光共振能量轉移等技術結合以進行更深入、全面的細胞機械性能研究。

3.4 磁控

磁控(Magnetic Manipulation)是研究機械傳導和生物力學的極其有用的工具。在細胞的機械性質研究中，磁控主要是通過外加磁場操縱磁性粒子將小而精確定位的力引入特定細胞區域及表面受體，進而操縱與粒子相連的生物分子38,39。目前，磁控技術已經能夠量化細胞質和細胞核的機械性質，并且用于研究機械信號轉導途徑40。磁性粒子也可以制備成不同的尺寸和形狀，如納米球形顆粒、微米珠和棒狀結構。作為細胞力學探針的磁性粒子可以連接到質膜上、由細胞內化或者被功能化以靶向膜受體，甚至可以靶向細胞內的特定位點。與光鑷和AFM等其他技術相比，磁控具有以非侵入的方式對特定細胞區域和受體施加良好控制力的優點。

3.5 微柱

微柱系統(Micropillars)通過使用彈性微針狀柱陣列來操縱和測量細胞與基底之間的機械相互作用，通常用于研究細胞牽引力41。在微柱系統中，每個柱子具有已知的彈簧常數，且柱的偏轉獨立于相鄰柱發生，因而可以直接分析牽引力的亞細胞分布。由于作用在柱子上的力與柱子的變形成正比，因此可以通過柱位移的變化來測量施加在彈性柱上的細胞力。使用微柱研究細胞力學的優點是細胞與基底之間的相互作用力可以直接由柱子偏轉位移計算得來，且微柱剛度可調。但是，細胞粘附可能受到不連續基底的影響，并且微制造技術限制了剛度范圍。

3.6 力誘導剩磁譜

力誘導剩磁譜(Force-Induced Remnant Magnetization Spectroscopy，FIRMS)使用高靈敏度的原子磁力儀，以磁性顆粒作為分子探針，通過磁標記的形式測量分子及細胞的剩磁信號作為外界微擾力的函數42。采用磁性微珠作分子探針時，隨著外界微擾力振幅的逐漸增加，不同的分子間非共價鍵將在不同的微擾力下發生解離，相應剩磁信號的降低表明解離過程的發生，可用于分析核酸、蛋白分子之間相互作用力，研究生物分子識別的機理43,44。采用納米磁探針標記細胞時，既可以通過剩磁信號隨外界微擾力的變化測量細胞的粘附力，也可以通過剩磁信號隨時間的變化測量細胞的遷移率45,46。FIRMS可以測得pN量級的分子及細胞相互作用力，具有優異的檢測靈敏度、空間分辨率和分子特異性。此外，FIRMS還具有高通量性能，適合于復雜體系的細胞力學研究。

4 納米粒子對細胞機械性質的影響

NPs會與細胞膜表面的粘附分子和細胞內部的骨架蛋白相互作用，進而影響細胞剛度及細胞的粘附遷移等力學機械性質。因此，闡明NPs對細胞力學-化學偶聯的影響有助于加深理解NPs與細胞的相互作用。本小節將主要討論NPs對細胞力學的影響，包括細胞膜表面的粘附、細胞內部的骨架、細胞剛度及細胞遷移。

4.1 細胞粘附

細胞的粘附發生于細胞與底物(如ECM、細胞或組織)接觸時。根據細胞粘附或連接的功能可分為三類：第一類是緊密連接，形成穿過上皮細胞層的不可滲透屏障；第二類是通訊連接，允許細胞之間小分子的運輸；第三類是錨定連接，連接細胞骨架(如肌動蛋白和中間絲)到其臨近細胞或ECM。錨定連接包括細胞-ECM粘附的粘著斑、細胞-基底層粘附的半橋粒、細胞-細胞粘附的橋粒和粘附連接。已經有大量研究表明，內化或附著于細胞膜的NPs會對細胞粘附產生影響，但是明確的機制仍然未知。

細胞粘附涉及整聯蛋白和ECM配體的結合與聚集、肌動蛋白和細胞骨架的收縮等。整聯蛋白受體簇是細胞粘附的重要標志物?？梢酝ㄟ^監測粘著斑及整聯蛋白受體簇的形成過程來表征NPs對細胞-ECM粘附的影響。Qin等人用直徑為1.7 nm的具有特殊表面電荷和官能團的富勒烯醇納米粒子處理人乳腺癌細胞(MCF-7和MDA-MB-231)，發現富勒烯醇納米粒子會導致肌動蛋白細胞骨架重組從而影響整聯蛋白在細胞內的分布47。他們觀察到標記的整聯蛋白主要分布在對照細胞的絲狀偽足中，而富勒烯醇處理的細胞則主要位于細胞質中。絲狀偽足是肌動蛋白束的主要支撐結構，對細胞運動和粘附很重要。他們認為富勒烯醇處理減少了絲狀偽足的數量和長度，同時抑制整聯蛋白在絲狀偽足上形成簇，從而導致處理后癌細胞的低粘附能力。血管內皮細胞鈣粘連蛋白(VE-cadherin)是細胞間連接的重要蛋白。Peng等人的工作表明，TiO2、SiO2NPs的存在會破壞VE-cadherin之間的相互作用，從而破壞了細胞間的粘附連接，導致內皮細胞泄露，促進了乳腺癌細胞的轉移(圖3a)48。

已經有許多研究表明納米粒子對細胞粘附的影響存在濃度依賴性。P?ttler等人使用超順磁性氧化鐵納米顆粒(SPIONs)處理兔聲帶成纖維細胞(VFF)，發現SPIONs對VFF粘附表現出濃度依賴性抑制49。當SPIONs濃度為20 μg·cm-2時，與未用SPIONs處理的對照組相比，并沒有觀察到顯著差異。然而，當SPIONs濃度增加為40和80 μg·cm-2時，細胞的粘附能力顯著降低。

除了考慮納米粒子濃度因素，納米粒子對不同種類細胞的機械性質的影響也是不同的。Tay等人的工作表明TiO2、SiO2和羥基磷灰石(HA) NPs能夠通過增加成熟粘著斑的表達增強TR146上皮細胞的粘附強度5。他們使用牽引力顯微鏡直接測量細胞粘附強度，未經處理的對照組平均牽引力為72 ± 11 Pa，而TiO2、SiO2和HA NPs處理的細胞牽引力則分別顯著增加至126 ± 8、99 ± 9和109 ± 7 Pa。這與大部分研究報道的NPs處理后細胞的粘附能力降低的情況存在差異。

4.2 細胞骨架

真核細胞的細胞骨架由微管、肌動蛋白微絲和中間絲三種類型的蛋白絲組成。微管是由α和β微管蛋白聚合構建的，其中聚合的成核由γ微管蛋白介導。肌動蛋白微絲是通過G-actin的聚合形成的，而中間絲在各種類型的細胞中由不同蛋白質組成，包括角蛋白、波形蛋白、神經絲蛋白、核纖層蛋白和巢蛋白等。目前的研究發現，NPs與細胞骨架蛋白之間可以通過靜電力、范德華力、疏水作用或氫鍵發生相互作用，從而影響細胞骨架的完整性，導致肌動蛋白微絲的不穩定和降解以及誘導微管的不穩定和功能紊亂，最終造成細胞損傷甚至死亡。

圖3 納米粒子影響細胞的機械性質。(a) TiO2納米粒子的存在可破壞VE-cadherin之間的相互作用，從而破壞細胞間的粘附連接，導致內皮細胞泄露。(b)高濃度的氧化鐵納米粒子改變細胞骨架結構，使細胞發生明顯的極化。(c)納米粒子引起細胞硬度的增加可能是由于細胞內actin堆積更為緊密或者是actin結合蛋白的增多。(d)納米粒子的加入可使細胞粘附增強，從而阻礙細胞遷移Fig.3 Nanoparticles affect cell mechanics.(a) TiO2 nanoparticles induce endothelial leakiness through disruption of the VE-cadherin homophilic interactions at the adherent junction.(b) High iron oxide nanoparticles concentrations affect cellular cytoskeleton and lead to cell polarization.(c) Nanoparticleinduced cell stiffness increasement could be explained by actin polymerization or increase of actin-binding protein.(d) Nanoparticles enhance cell adhesion and inhibit cell migration.

Li等人研究了兩種不同尺寸的硅納米粒子Nano-Si64和Nano-Si46對L-02細胞系中多核細胞形成的影響50。發現在納米粒子處理組中，肌動蛋白以各向異性網絡組織排列，具有相當差的細絲束且微絲的數量明顯減少。另外，L-02細胞中微管的分布也發生了改變。在對照組中，微管均勻分布細胞質中，而在納米粒子處理的細胞中微管則聚集在細胞核周圍。Xie等人的工作也表明NPs會破壞肌動蛋白結構51。他們用直徑約為52 nm的AgNPs處理MG-63細胞。熒光結果顯示，暴露于AgNPs后，MG-63細胞中F-actin的熒光強度減弱。特別是在5 μg·mL-1的劑量下，觀察到MG-63細胞的收縮以及F-actin結構稀疏和無序。此外，Cuyper等人發現在較高的磁性納米顆粒(MNPs)濃度下(1000 μg·mL-1)，小鼠C17.2神經祖細胞(NPCs)和原代人血液生長外周內皮細胞(hBOECs)的細胞骨架都發生了明顯的變形(圖3b)52。從actin和微管的熒光共聚焦圖來看，MNPs處理后的細胞較對照組細胞都產生明顯的極化。

然而NPs對細胞骨架影響并不總是負面的。Qin等人使用20 nm的AgNPs研究了其對尿源性干細胞(USCs)成骨分化的影響53。發現4 μg·mL-1的AgNPs處理可以激活USCs細胞的RhoA信號通路，誘導肌動蛋白聚合，并增加細胞骨架張力，從而導致USCs進入成骨分化，而2 μg·mL-1的AgNO3并沒有這種作用，因此他們認為AgNPs促進USCs中的成骨分化是由AgNPs本身產生的，而不是它們釋放的銀離子。

4.3 細胞剛度

細胞剛度反映細胞對外部誘導變形的抵抗力，通常用楊氏模量表示。研究表明細胞骨架在細胞剛度和收縮性方面發揮著重要的作用。例如在癌細胞中肌動蛋白纖維排列有序性下降，楊氏模量更小54。NPs誘導細胞剛度改變涉及十分復雜的機理，納米粒子的參數以及不同的細胞類型都會對細胞剛度的改變產生不同的影響。

原子力顯微鏡(AFM)的壓痕實驗通常用來測量細胞剛度。Mao等人使用AFM研究鐵-鐵氧化物核-殼磁性納米粒子(直徑為16 ± 1.5 nm)對牛關節軟骨細胞(BACs)力學性能的影響55。他們發現與納米顆粒共培養的BACs顯示出更高的剛度，并且其楊氏模量隨著納米粒子濃度的增加而增加。用濃度為0，5，10，20和50 μg·mL-1的納米顆粒培養細胞的楊氏模量值分別為1.78 ± 0.82，1.82 ± 1.07，3.02 ± 1.56，3.60 ± 1.71和3.80 ± 1.69 kPa。Ogneva等人的研究也表明在Si和SiB NPs存在下間充質干細胞MSC的剛度升高，且同時伴隨著F-肌動蛋白含量的改變(圖3c)56。他們認為，剛度升高可能與納米粒子導致的皮質細胞骨架的結構重組(應力原纖維之間的“交聯”數量增加)以及細胞表面的修飾或相互作用有關。

然而與上述結論不同，Qin等人的研究表明納米粒子的存在會干擾肌動蛋白動力學從而降低細胞剛度47。他們通過AFM測量乳腺癌細胞(MDAMB-231和MCF-7細胞)和正常細胞(MCF-10A細胞)的楊氏模量值，發現12.5至200 μg·mL-1富勒烯醇處理的細胞楊氏模量明顯降低。

4.4 細胞遷移

細胞遷移/運動在胚胎發生、傷口愈合及免疫應答等過程中起到了重要作用。細胞遷移過程主要涉及四個步驟：細胞的極化、細胞膜或片狀突起的突出、片狀偽足的形成與延伸、在ECM上形成新的粘附或細胞收縮這四個步驟。目前研究結果表明，NPs能夠通過不同的機制改變細胞遷移的速度。細胞骨架、細胞粘附以及細胞遷移相關蛋白/分子表達的改變都會影響細胞遷移性質。

細胞骨架對細胞遷移起著重要作用。肌動蛋白絲在細胞膜下特別豐富，形成高度有序的結構，調節細胞遷移的網絡。Tian等人研究發現內化的氧化石墨烯(GO)納米片可以通過破壞肌動蛋白絲來阻止A549細胞遷移57。實驗表明，GO納米片表現出對肌動蛋白單體強的結合能力，導致其二級結構發生顯著變化并破壞肌動蛋白絲。分子動力學模擬結果顯示，GO納米片可以通過范德華相互作用插入肌動蛋白四聚體的鏈間間隙并破壞四聚體，從而破壞肌動蛋白絲的整體結構。

NPs對細胞粘附性質的改變也影響著細胞遷移行為的變化。Tay等人的研究結果表明，TiO2、SiO2和HA NPs能夠通過增加成熟粘著斑的表達增強TR146上皮細胞的粘附強度，促進細胞在基質上的穩定錨定，從而限制細胞遷移(圖3d)5。Sun等人發現TiO2-PEG NPs可抑制NCI-H292細胞的遷移過程58。其中，NPs與整合素β1的結合促進了整合素β1到溶酶體的內吞作用，導致整合素β1的表達降低。而由于上游整合素β1的活化減少，pFAK表達降低，削弱了pFAK和F-肌動蛋白之間的結合，并導致F-肌動蛋白結構的解束和破壞，從而抑制細胞遷移。這種抑制效果具有NPs尺寸依賴性。

此外，Vieira等人發現AgNPs和AuNPs可以通過減少與細胞遷移相關蛋白的表達抑制人成纖維細胞遷移59。免疫熒光分析顯示，AgNPs或AuNPs處理降低了膠原蛋白和層粘連蛋白的產生。并且AgNPs處理降低了膠原受體(極晚期抗原2，α2β1整聯蛋白)和層粘連蛋白受體(極晚期抗原6，α6β1整聯蛋白)的表達。細胞骨架重組的分析表明，這兩種納米顆粒處理增加了應力纖維的形成和細胞突起的數量，導致細胞極性受損。

5 總結與展望

納米材料在生物醫學領域的廣泛應用使得其生物安全性越來越受關注，然而目前有關微納米粒子與生物系統(細胞、組織等)詳細作用的機制仍然不清楚。大部分研究都通常集中在具有特定物理化學性質的微納米粒子的細胞毒性、細胞攝取等方面，研究納米粒子與細胞的力學-化學偶聯作用成為新的研究前沿。因此，本綜述重點總結了近五年納米粒子對細胞機械力學方面影響的相關研究以及用來研究細胞機械力學的主要納米技術。從細胞表面粘附受體、細胞骨架及細胞核三個方面闡述了涉及細胞力學-化學偶聯的主要分子及信號通路。其中，整聯蛋白和鈣粘蛋白在感知細胞外部機械力和力傳遞方面發揮著重要作用。肌動蛋白和微管作為細胞骨架網絡的重要組成部分起著機械傳導的橋梁作用。細胞核也可以通過基質的收縮受到周圍細胞骨架的機械力。此外，核被膜在感測機械信號和調整細胞核的形態和功能方面也起著至關重要的作用。

在介紹了細胞機械力學相關的分子基礎上，我們進一步總結了近幾年有關納米粒子對細胞機械力學影響的相關研究進展。值得注意的是，納米粒子對細胞機械力學的影響涉及復雜的機制，納米粒子的種類、尺寸、濃度、官能團的修飾以及帶有電荷與否都會直接或間接地影響其與細胞的相互作用，可能產生不同的影響。因此，很難完全明確地認定某種粒子對生物體是否有害，粒子參數的多種因素都應被考慮在內?；谀壳暗奈墨I調研，在表1中總結了納米粒子對細胞力學-化學偶聯的影響，主要表現為：(1)可以通過破壞緊密和粘附連接并調節細胞-ECM粘附改變細胞的粘附能力；(2)可以和細胞骨架蛋白(肌動蛋白和微管蛋白)相互作用導致微管和F-肌動蛋白結構的重構或破壞；(3)可以通過細胞骨架的結構重組改變細胞剛度；(4)可以通過細胞骨架、細胞粘附以及細胞遷移相關蛋白/分子表達的改變影響細胞遷移性質。

細胞機械力學在生物體發育、生理學和疾病發展中起著重要作用。借助納米技術可對細胞或組織的機械力學性質進行表征，從新的視角詮釋生命活動規律，十分具有發展前景。本文對目前研究細胞機械力學主要的納米技術(如TFM、AFM、光鑷、磁控、微柱以及FIRMS)也做了簡要介紹。然而，目前納米粒子對細胞力學-化學偶聯的影響尚未被深入研究。未來增強認識納米粒子影響細胞機械性質的分子機制，對完善納米生物安全評價體系是十分有必要的。此外，發展基于納米生物力學-化學偶聯的診斷與治療新方法也將為納米材料在生物醫學領域的應用拓展新方向。

表1 納米粒子對細胞機械性質的影響Table 1 Effects of nanoparticles on cell mechanics.