細胞力学

細胞力学は生物物理学の分野の一つで、生細胞の機械的性質と挙動、そしてそれが細胞機能とどのように関係しているかに焦点を当てています。^[1]細胞生物物理学、生体力学、ソフトマター物理学とレオロジー、メカノバイオロジー、細胞生物学の側面を網羅しています。

真核細胞^{[2]は、膜で囲まれた}細胞小器官、膜で囲まれた核、および複数の線状染色体で構成される細胞です。真核生物は真の核を持たない原核細胞よりもはるかに複雑であり、外部からの力から細胞小器官を保護する必要があります。

植物細胞力学は、バイオメカニクスとメカノバイオロジーの原理を組み合わせて、植物細胞の成長と形成を研究する。動物細胞と同様に、植物細胞は細胞骨格ネットワークの再編成などにより、外部から加えられた力に反応する。しかし、かなり硬い細胞外マトリックスである細胞壁の存在により、植物細胞は一連の特別な特性を付与される。主に、植物細胞の成長は細胞壁の力学と化学組成によって制御される。^{[3]植物細胞力学の研究の大部分は、細胞壁の組成と機械的特性の変化が細胞の機能、成長、}形態形成にどのように影響するかを理解するために、細胞壁力学の測定とモデル化に向けられている。^{[4] [5]}

動物細胞^[6]は植物細胞のように細胞壁で保護されていないため、外部からの機械的力に耐えるために他の特殊な構造が必要です。すべての動物細胞は、細胞を外部環境への露出から保護する薄い脂質二重層でできた細胞膜に包まれています。タンパク質構造で構成された受容体を使用して、細胞膜は選択された分子を細胞内に入れることができます。細胞膜の内側には細胞質があり、細胞骨格が含まれています。^[7]微小管、中間径フィラメント、アクチンフィラメントなどの糸状タンパク質のネットワークが細胞骨格を構成し、細胞の形状を維持するのに役立ちます。3種類のポリマーが協力することで、外部から加えられた力に対抗し、変形に抵抗するように自己組織化できます。ただし、3つのポリマーには違いがあります。

細胞骨格の主な構造成分はアクチンフィラメントです。3種類のポリマーの中で最も細く、直径が7nmで最も柔軟なアクチンフィラメントは、通常、動物細胞の細胞質の最端に見られます。^[1]アクチンと呼ばれるタンパク質のポリマーが結合して形成され、細胞に形と構造を与え、タンパク質パッケージと細胞小器官を輸送することができます。さらに、アクチンフィラメントは素早く組み立てられ、分解される能力があり、細胞の移動に関与することができます。^[8]

一方、中間径フィラメントは、直径8～10nmのより永続的な構造です。^[9]多数の繊維状タンパク質鎖が巻き付いてできた中間径タンパク質の主な役割は、張力に耐え、核やその他の細胞小器官を指定された領域に固定することで細胞の形状と構造を維持することです。

3種類のポリマーの中で最も大きな細胞骨格構造は、直径25nmの微小管です。^{[8]アクチンフィラメントとは異なり、微小管は、}微小管形成中心（MTOC）から外側に放射状に広がる硬い中空の構造です。チューブリンタンパク質で構成される微小管は、チューブリンタンパク質の追加または除去によって収縮または成長できる動的な構造です。細胞力学の観点から見ると、微小管の主な目的は、圧縮細胞力に抵抗し、モータータンパク質の輸送システムとして機能することです。^[8]

メラニンは細胞の機械的性質にも影響を与えることが示されています。サルナのチームが行った研究では、色素が濃い黒色腫細胞のヤング率は約4.93であるのに対し、色素のない黒色腫細胞ではわずか0.98であることが証明されました。^[10]別の実験では、黒色腫細胞の弾力性が転移と成長に重要であることがわかりました。色素のない腫瘍は色素のある腫瘍よりも大きく、転移しやすいことがわかりました。彼らは、黒色腫腫瘍には色素のある細胞と色素のない細胞の両方があり、薬剤耐性と転移性の両方があることを示しました。^[10]

細胞は小さくて柔らかい物体であり、金属、プラスチック、ガラスなどの材料とは異なる方法で測定する必要があるため、細胞力学を正確に測定するための新しい技術が開発されました。さまざまな技術は、力適用技術と力感知技術の2つのカテゴリに分けられます。^[1] 植物細胞や真菌細胞などの壁のある細胞の場合、細胞を包み込む硬くて異方性があり湾曲した細胞壁が存在するため、動物細胞の力学を測定するために使用される方法と比較して、特別な考慮とカスタマイズされたアプローチが必要になる場合があります。^[11]

力印加技術は、細胞に加えられた力に対する細胞の変形反応を利用して、細胞の機械的特性を測定する方法です。^[12]力印加技術には、次のようないくつかの種類があります。

1. マイクロピペット吸引は、小径のガラスピペットを用いて吸引圧を加えることで行われます。吸引圧によって生じる吸引の長さを測定することで、細胞の機械的特性のいくつかを明らかにすることができます。^[13]
2. カンチレバー操作は、プローブと細胞表面との間の磁気的、電気的、または機械的相互作用を介して行われ、機械的特性を測定するために使用できる信号を発します。^[14]
3. 光学技術では、捕捉された光子を利用して細胞を操作する。光子は細胞の屈折率に応じて方向を変え、運動量の変化を引き起こし、細胞に力を加える。^[12]
4. 機械的技術では、強磁性ビーズを細胞内に組み込んだり、細胞上の特定の受容体に付着させたりします。磁力が加えられると、膜の伸びを測定して機械的特性を計算することができます。^[12]
5. 基質ひずみは細胞を伸ばすことで弾力性を測定する。細胞の弾力性は運動性と接着性を決定できる情報を提供する。 ^{[12] [15]}
6. 圧縮には細胞全体に圧力をかけることが必要である。細胞の形状の変化を計算することで、圧縮は力に対する機械的反応を測定する方法である。^[12]
7. フロー技術では、流体力学における無次元数であるレイノルズ数を使用して、細胞が層流、遷移流、乱流のいずれの流速にさらされているかを区別します。^[12]
8. 音響力分光法は単一細胞の機械的特性を抽出するために使用することができる。^[16]

1. しわを寄せるには、細胞を柔軟なシリコン製の容器に入れる必要があります。細胞が収縮すると、しわの長さと数を利用して力の大きさを推定することができます。^[12]
2. 牽引力顕微鏡法^[17]は、細胞に付着した蛍光ビーズの動きを画像と比較することで変形を検出します。^[18]使いやすいソフトウェアパッケージが無料でダウンロードできます。これには、高速フーリエ変換牽引サイトメトリーとパラメータフリーのベイジアンフーリエ変換牽引サイトメトリーの両方が含まれています。^[19]
3. カンチレバーセンシングは、セルの一端にマイクロメカニカルビームを取り付けることで表面応力を検出することができる。^[20]
4. バイオリアクターは、外部からの力を同時に加えながら、3次元システムで多細胞の力を測定することを可能にします。これにより、複雑な実験からより良い結果とより正確なデータを得ることができます。^[12]
5. 接着細胞が音波によって励起されると、音響マイクロストリーミング流が発生し始める。細胞膜付近のこの流れの速度の大きさは、細胞の剛性（すなわち弾性率）に正比例する。^[21]

細胞力学を研究する研究者は、細胞膜、細胞骨格、細胞小器官、細胞質など細胞を構成する集合体や構造の力学とダイナミクス、そしてそれらがどのように相互作用して細胞全体の創発特性を生み出すのかに興味を持っています。^[22]

多くの細胞力学的研究の特に焦点を当てているのは細胞骨格であり、動物細胞では細胞骨格は次のように構成されていると考えられています。

1. アクトミオシンアセンブリ（F-アクチン、ミオシンモーター、および関連する結合、核形成、キャッピング、安定化、架橋タンパク質）、
2. 微小管とそれに関連するモータータンパク質（キネシンとダイニン）
3. 中間径フィラメント、
4. スペクトリンやセプチンなどの他のアセンブリ。

細胞集合体の非平衡性と非線形レオロジー特性は、近年の注目研究対象となっている。^{[23] [24]}もう一つの興味深い点は、細胞周期に関連した細胞骨格活性の変化が、有糸分裂細胞の丸みを帯びる際の細胞内圧の上昇など、細胞全体の特性にどのような影響を与えるかということである。^[25]

• 細胞膜の弾力性