细胞生物学考研，细胞生物学考研学校排名
细胞是生命体最小、最基本的结构和功能单位。细胞生物学通过研究生理过程、细胞结构、细胞与外环境的相互作用来阐明细胞功能，已成为生物医学领域研究人类疾病的主要基础科学。迄今，对细胞生物学中基本问题的研究几乎都局限在生物化学范畴，主要通过分子和遗传学方法进行。病理过程可被视为生化信号传递的中断，分子与细胞表面受体的结合能实现细胞外信号对细胞功能的调节，基本细胞进程如细胞分裂被认为由多个生化事件驱使。因此，传统细胞生物学的核心课程都非常重视生物化学和结构生物学的讲授。
最近，在生物化学的分析背景下，人们对细胞功能和疾病的理解范式发生了转变。特别是，通过理解机械力的作用，对不同细胞进程及病理变化有了更为独到的见解。科学的快速发展表明，力学现象对一些基本细胞进程的正常运作至关重要，力学载荷可以作为胞外信号来调节细胞功能。此外，危及人类健康的几种主要疾病，如骨质疏松症、动脉粥样硬化和癌症等，均与力学感知和（或）功能障碍有关。
细胞力学和人类疾病
在健康和疾病这两方面，大部分人认为生物医学的本质是生物或生物化学。这里当然也有一些例外，比如骨折、软组织创伤或手术修复时，在组织或者整体水平要考虑力学因素。此外，涉及力学的感觉器官如听觉和触觉时，力学敏感细胞的存在也不足为奇。反之，通常不认为细胞力学与癌症、疟疾或病毒感染相关——然而它们的确是相关的。不仅如此，令人惊讶的是，很多人类疾患的原因在一定程度上都与细胞力学有关。
要理解人类健康和疾病，常常需要在细胞水平上理解生物力学和力学生物学，例如：
如果骨组织细胞没有受到适当的力学刺激，骨形成将停止，而骨吸收开始。因此，在长时间太空飞行失重下，即使采用严格的运动训练计划，航天员也面临着严重的骨丢失。
在冠状动脉疾病中，作用于内皮细胞的流体剪切应力在空间和时间上的变化与动脉粥样硬化斑块的形成有关。
骨关节炎的发病机制是力学载荷变化引起的软骨细胞力学信号改变。
肺泡上皮细胞和气道平滑肌细胞在呼吸过程中受到周期性拉伸力的调节，而空气传播的病原体引起的超敏反应会产生持续的过度收缩，继而导致哮喘发作。
感染可以由病毒传递外源性遗传物质机械性地破坏细胞膜而引起。这是一个重要的问题，如果我们可以像病毒一样轻易地传递基因，就可以通过使细胞表达正确的序列（突变基因）从而治愈许多遗传疾病。而细胞膜实际上是一个极好的力学屏障。
转移性癌细胞必须能在组织中迁移并远距离附着以扩散。某些癌症似乎优先转移到特定部位仍然是一个谜。
力学刺激在伤口愈合期间调节成纤维细胞的行为。此外，“正常”伤口的愈合和疤痕组织的愈合之间存在差异。
现在已经知道，力是调节成体细胞和胚胎干细胞组织特异性分化的关键因素。例如，在子宫内，胚胎心脏并不需要泵血，因此认为某些哺乳动物胚胎心脏的跳动更多地是为了心肌的塑造，而不是用于功能性泵血。
出生后，大脑发育和血管生成均涉及细胞与其周围动态力学环境的相互作用。
心血管疾病，如高血压和心力衰竭，往往是由长期的力学因素引起的。事实上，心脏肥大是对力变化最常见的响应之一。正常心脏肥大（运动产生）与病理性肥大（疾病产生）之间的区别仍不清楚。
基本的细胞进程，如膜运输、胞吞和胞吐（细胞吞噬或释放物质的方式）、微管组装和解聚、肌动蛋白聚合和解聚、细胞-基质和细胞间黏附的动力学、染色体分离、着丝粒动力学（如细胞分裂过程中DNA 的运动）、胞质蛋白和囊泡分类与转运、细胞运动、细胞凋亡（细胞程序性死亡）、侵入（细胞运动到非正常位置）和分化（细胞分化成为具有特定功能的表型），都至少部分地受到力学调控。
接下来，我们将更详细地描述其中的几个实例。
骨细胞需要力刺激来维持骨骼健康
负荷对骨骼健康至关重要。事实上，维持骨骼健康的重要因素之一是接受正常的力学刺激。当骨不负载时，骨将处于半废用（如久坐）或完全废用（如卧床或长期空间飞行）状态。已证实，在这些极端的情况下，骨丢失每月可高达总骨量的1%～2%。即使不存在创伤或创伤可能较小时，骨折风险也会提高。这些脆性骨折或骨质疏松性骨折不仅会对个人造成伤害，也会引起公共健康问题，美国每年因此要花费近几十亿美元。事实上，50 岁以上人群中，近一半的女性和超过四分之一的男性都发生过骨质疏松性骨折。髋部骨折是骨量减少最严重的后果，对于大多数患者而言，这是病情从失去行动能力、丧失独立性、住进医院到继发性疾病发病直至死亡的螺旋式恶化的第一步。令人震惊的是，在髋部骨折后1 年内，50%的患者将无法独立行走，25%将被送进医院，20%将会死亡。
好消息是，物理负荷将会减少骨质流失，而某些运动效果比其他运动效果更好，芭蕾之所以比游泳好，可能是因为其涉及冲击负荷。事实上，有研究已经表明高水平运动员的骨形成往往发生在运动时受负荷最大的区域。作为对人类健康至关重要，同时也是令人关切的科学问题，骨组织细胞（主要是骨细胞和成骨细胞）通过协调细胞反应来感知和响应负荷的机制尚不清楚。有人提出，其感知机制可能涉及细胞骨架、黏着斑、黏着连接和膜通道，甚至膜本身的生物物理行为，确实有证据支持这些结构及许多其他结构都能感知力学信号，这样一来，似乎存在多个细胞感受器，可能构成一个冗余的系统。
肺部细胞感知牵张
在呼吸过程中，肺部组织会受到由基底膜膨胀和收缩引起的恒定振荡应力。这些力学信号被认为在维持肺功能和形态中起着重要作用。牵张可调控肺上皮细胞的生长、细胞骨架的重塑，以及信号分子分泌和磷脂层。当对患者实施肺部机械通气时，肺部所受的力学载荷会增加，这种力学负荷变化引起的细胞功能改变所导致的生理后果尚不清楚。
病原体可以改变细胞的力学性能
疟疾的发生是细胞水平上细微力学变化一个有趣的例子。疟疾是因为由蚊子传播的寄生虫（疟原虫）感染了红细胞（RBC）。疟原虫一生的大部分时间都存在于红细胞中，因此通常可以躲避免疫系统的攻击。由于被感染的红细胞可以被脾脏破坏，因此寄生虫通过诱导红细胞膜上表面黏附蛋白的表达，使被感染的红细胞黏性增加，使得红细胞可以黏附于血管壁上而避免被脾脏过滤清除。由于这类疟疾表面蛋白有许多种变异，因此免疫系统适应和清除这些被感染红细胞的速度很慢。可以设想，附着力的改变是很巧妙的，细胞会变得稍微黏一些，但不会过黏而导致血液凝固。实际上，红细胞的黏性增强产生的一种结果是红细胞偶尔会在小血管中聚集，导致出血。
其他病原体可以利用细胞的力学结构来获得优势
李斯特氏菌属的细菌同样通过隐藏在细胞内来逃避免疫系统的攻击。为了侵入其他细胞，这种细菌占据了细胞的部分肌动蛋白结构（细胞骨架的一部分）。肌动蛋白在细胞内聚合形成纤维，用来形成细胞骨架和锚定位点。细菌“坐”在生长的肌动蛋白聚合物的顶端，等待聚合物生长到足够长时将细菌推出细胞并进入相邻细胞。一旦宿主受到感染，细菌便可以扩散到宿主的整个身体，而不会暴露于免疫系统。为了实现这一过程，细菌必须有足够的力来突破两层细胞膜，而且其必须要“知道”坐在肌动蛋白丝的哪个位置才能被推动。这是分子机器合成领域被活跃研究的一个例证。
一本细胞生物力学领域的综合教学工具书
近年来，力学信号被普遍认为是诸多生物过程正常运转的关键。由此，一个把力学和细胞生物学结合在一起的新学科出现了，即细胞力学生物学，它涉及细胞生物学中力的产生、传导、感知，并使细胞功能发生改变的方方面面。细胞力学生物学的研究将细胞生物学和生物化学与多个力学学科联系起来了，包括固体力学、流体力学、统计力学、实验力学和计算力学。
▲ 用拉普拉斯定律分析微吸管吸吮实验的物理量示意图。微吸管吸吮实验是一种非常通用的测量细胞膜特性的技术，它可以施加很大范围的力，并且有利于力学分析。除了用来检测细胞膜的力学性质，微吸管吸吮技术在理解细胞力学中还具有更重要的作用，因为它们可以让人们容易地观察不同类型细胞的基本力学行为。利用微吸管吸吮技术，人们提出了一些关于细胞行为重要而令人称奇的见解。
细胞力学生物学试图揭示力学感知或改变细胞功能的原理，而《》[（美）克里斯托弗·雷·雅各布斯等著；孙联文，杨肖，吴欣童主译. 北京：科学出版社，2023.2]是一本综合了细胞力学及力学生物学的著作，旨在为多种学科背景的学生介绍组织与细胞行为的物理和力学原理。
本书源于原著者在斯坦福大学开设的细胞生物力学课程，后经多次整理、编撰而成，已应用于世界各地多所高校。本书综合了细胞力学及力学生物学所广泛涉及的必要主题，将力学带入细胞生物学，阐述组织细胞行为的物理和力学原理，定量描述细胞检测、修饰，以及细胞对所处环境物理特性的响应。本书分为第一部分原理和第二部分应用两部分。在前几章中介绍了固体力学、流体力学及统计力学为先导内容，后面章节内容主要包括单分子聚合物力学、聚合物网络力学、二维细胞膜力学、全细胞力学及力学生物学。
本书可作为生物医学工程、生命科学及相关专业高年级本科生和低年级研究生的教材或参考书，也可供对细胞力学生物学感兴趣的研究人员参考。
本文摘编自《细胞力学及力学生物学》[（美）克里斯托弗·雷·雅各布斯等著；孙联文，杨肖，吴欣童主译. 北京：科学出版社，2023.2]一书“第1 章 细胞力学概述”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-074583-5
责任编辑：刘 畅 韩书云
（本文编辑： 刘四旦）
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