横纹肌组织收缩力与环境刚度的幂律关系：探索肌肉发育的力学奥秘

为探究横纹肌收缩力与环境刚度关系，研究人员用肌肉微组织实验，发现二者呈幂律关系，揭示肌肉发育机制。

　　在生命的微观世界里，肌肉的发育和功能一直是科学家们关注的焦点。横纹肌（striated muscle），作为人体运动和心脏跳动的关键执行者，其收缩力的调控机制却如同隐藏在迷雾中的宝藏，尚未被完全揭开。在肌肉的生长过程中，它如何感知周围环境的变化，并据此调整自身的收缩能力，一直是个未解之谜。而且，传统的二维细胞培养系统，就像一个简陋的模拟舞台，无法真实地还原肌肉在体内的三维复杂环境，使得研究人员难以深入探究肌肉的力学传感（mechanosensing）和机械化学转导过程。

为了打破这一困境，来自德国弗里德里希 - 亚历山大大学埃尔朗根 - 纽伦堡分校（Friedrich-Alexander Universit?t Erlangen-Nürnberg）等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们的研究成果发表在《npj Biological Physics and Mechanics》杂志上，为我们揭示了横纹肌收缩力与环境刚度之间的神秘联系。

研究人员开展了一项别出心裁的研究，他们利用体外工程化的心肌和骨骼肌微组织（micro-tissues）作为研究模型。这些微组织就像是一个个微小的肌肉工厂，在实验室的培养皿中自我组装并逐渐成熟。研究人员通过巧妙地调整弹性支柱的有效弹簧常数，模拟出了范围广泛的环境刚度，就像为肌肉细胞打造了各种不同 “硬度” 的小窝。

研究人员运用了多种关键技术方法。首先，精心制备了骨骼肌和心肌微组织，从细胞的培养、微组织的构建，到后续的培养条件优化，每一步都经过了细致的设计。其次，利用神经网络检测支柱的偏转，从而精确测量微组织产生的收缩力，这种方法为研究提供了准确的数据支持。此外，通过基因沉默技术（如 siRNA 介导的 β-parvin 基因沉默），研究人员探究特定基因对肌肉收缩力和机械适应性的影响，为深入理解分子机制奠定了基础。

下面来看看具体的研究结果：

1. 微组织作为骨骼肌结构和功能成熟的模型：研究人员以 C2C12 骨骼肌细胞为材料构建微组织。在培养过程中，微组织逐渐成熟，肌细胞开始伸长并排列整齐，同时肌肉分化标记物 α-actinin 和 desmin 的表达水平不断增加。通过对收缩力的分析发现，C2C12 微组织的静态力随时间增加，而活性力在分化后对电刺激产生明显反应。用细胞松弛素 D（cytochalasin D，cyto-D）处理微组织后发现，活性力主要由分化细胞产生，因为分化细胞中肌动蛋白丝的末端被稳定封端，对 cyto-D 不敏感；而静态力部分源于重塑胶原纤维内储存的机械张力。此外，研究还表明，层粘连蛋白（laminin）是 C2C12 微组织压实和成熟的关键成分，缺乏 laminin 会导致微组织无法正常形成和收缩。
2. 新生大鼠心肌细胞形成具有完整电耦合的微组织：研究人员对新生大鼠心室心肌细胞（NRVC）进行研究，发现它们能在较低的胶原浓度下形成微组织，且微组织呈现出类似成年心肌组织的特征，如细胞伸长、交叉条纹以及自发和电诱导的主动收缩。NRVC 微组织的静态力比 C2C12 微组织低一个数量级，而活性力相当，并且其主动收缩能跟随电刺激频率变化，在较高频率下仍能保持可分辨的脉冲，模仿了体内心脏组织的收缩动力学。
3. 骨骼肌和心肌微组织的主动收缩性具有机械适应性：研究人员发现，C2C12 和 NRVC 微组织的主动收缩力都随环境刚度的增加而显著增加，且这种关系可以用幂律关系来描述。在 C2C12 微组织中，培养第 4 天活性力随环境刚度的幂律指数约为 0.57，到第 6 天达到 1.03，几乎呈线性增加；而静态力随环境刚度的增加较弱。同时，研究还发现微组织的刚度不随支柱刚度变化，且 β-parvin 基因敲低的 C2C12 微组织虽然收缩力降低，但机械适应性几乎不受影响。

研究结论和讨论部分指出，本研究揭示了在心脏和骨骼肌分化成熟过程中，肌肉收缩力会适应环境刚度。这一发现不仅表明小鼠 C2C12 和 NRVC 微组织可作为横纹肌组织结构和功能成熟的模型系统，而且为深入理解肌肉发育过程中的力学调控机制提供了重要依据。研究中观察到的幂律关系是一种生物学现象，不能用简单的物理机制来解释。β-parvin 在 C2C12 细胞分化中起重要作用，其敲低会导致肌肉分化延迟，但不影响微组织的机械适应性，这表明机械适应性是一个细胞层面的过程，独立于组织层面的大收缩力。不过，本研究也存在一定的局限性，如培养的肌肉微组织性能在 7 - 9 天后会下降，无法确定低环境刚度下的微组织是否最终能达到最大收缩力。但总体而言，这项研究为肌肉发育的力学机制研究开辟了新的道路，为后续相关研究奠定了坚实的基础，有望在未来推动肌肉疾病治疗和组织工程等领域的发展。