综述：发育过程中的粘弹性：它是什么？为什么你需要关注？

这篇综述深入探讨了粘弹性（Viscoelasticity）在胚胎发育中的核心作用，系统阐述了细胞和组织如何通过兼具流体与固体特性的粘弹性行为来感知、传递和耗散机械力（Mechanical force），从而调控形态发生（Morphogenesis）和器官形成（Organogenesis）。文章详细介绍了原子力显微镜（AFM）、微管吸吮（MA）等关键技术及标准线性固体（SLS）等数学模型的应用，为理解力学生物学（Mechanobiology）机制提供了重要视角。

　　

1. 引言

1.1. 为什么我需要关注粘弹性？

根据牛顿第二定律，胚胎中的组织运动依赖于力的精确施加及其在胚胎内的传递方式（即生物力学）。然而，这些移动组织的力同样可能产生能调控基因表达和细胞行为的机械信号。因此，为了理解力学对胚胎发育的更广泛影响，我们需要考虑机械信号如何在动态的机械环境中持续存在。理解细胞及其微环境的粘弹性，可以为我们揭示力学在塑造组织和控制细胞生物学中的作用带来深刻见解。

粘弹性是细胞和组织在受到力或应力时，同时表现出流体般和固体般行为的特性。若一个组织更偏向流体特性，机械信号可能会随时间消散或无法传播到其直接源头之外。相反，若组织更偏向固体特性，机械信号则可能持续存在并能从其源头传播得更远。因此，理解粘弹性有助于阐明力在时间和空间上与生物组织相互作用的方式，并为理解机械信号和机械信号传导的运作提供重要见解。

1.2. 什么是粘弹性？

粘弹性材料在承受机械载荷变形时，同时表现出粘性和弹性特征。许多合成材料（如弹性体）和活的生物材料都是粘弹性的。粘性流体（如水和油）在受力下抵抗剪切流动，并且在卸载（即力被移除）后无法恢复其形状。在粘性材料中，内部能量以热的形式耗散，而不是储存在材料内部；耗散过程可能与细胞能量通量和限制密切相关。耗散会导致在载荷持续施加时产生连续的流动或变形。因此，粘性材料在载荷移除后无法恢复其原始构型。相比之下，弹性材料在受力下会变形，但会因导致变形的能量被储存在材料内部并在力移除时完全恢复而返回其原始形状。粘弹性材料像粘性材料一样变形，并在此过程中耗散能量。

粘弹性通过蠕变（Creep）、应力松弛（Stress relaxation）和滞后（Hysteresis）的实验研究来表征。蠕变发生在材料承受恒定力或应力时，它会表现出即时的弹性变形，随后是时间依赖性的粘性变形。应力松弛发生在材料承受恒定应变（或变形）时；最初的高水平应力会随着材料在材料和结构层面上的调整而逐渐减小。滞后在一个载荷施加后又移除的循环中被观察到（例如应力-应变曲线），可以代表耗散损失的能量。这些粘弹性特征可以在从细胞质到胚胎组织等多种生物材料中观察到，其粘度值跨越几个数量级。蠕变、应力松弛和滞后可以用由弹簧和阻尼器组成的几种理论模型之一来描述。麦克斯韦模型（Maxwell model）由一个串联的弹簧和阻尼器组成，用以表示具有长期粘性行为的材料。开尔文-沃伊特模型（Kelvin-Voigt model）由一个并联的弹簧和阻尼器组成，用以表示具有长期弹性行为的材料。对这些及其他粘弹性模型的详细讨论将在第4节中呈现。

1.3. 为什么粘弹性对机械信号传导至关重要

细胞和组织维持并对机械信号作出反应的能力，关键取决于它们的粘弹性特性。例如，想象一个机械刺激（如一个力）施加到一个组织上。一个完全弹性的组织会变形并维持恒定的应力，直到载荷被移除，此时组织会回弹到其原始形状。在这种情况下，机械信号将在整个施加载荷期间持续存在于组织中，并且不会耗散。持续的机械载荷可以产生多种结果，例如细胞骨架或细胞外基质（ECM）的重塑、信号通路的激活或基因表达的变化。在这种背景下，重塑细胞骨架或ECM可能反映了其他过程，如细胞分裂。相比之下，一个纯塑性的组织会在载荷下变形，但在载荷移除后不会恢复其原始形状，导致构型的永久改变。然而，一个粘性材料会在施加的力下流动，并随时间耗散应力。相比之下，一个塑性组织在低应力下表现得像弹性体，直到超过一个临界应力水平，此时组织会像粘性材料一样流动。粘弹性组织表现出中间反应：它们逐渐变形和恢复。这些时间依赖性的机械反应可以改变细胞解读机械刺激的方式。对机械载荷的耗散性反应影响组织如何解读机械信号，影响机械转导和细胞适应性。考虑弹性和粘弹性组织在相同条件下的行为。例如，当一个细胞簇产生力时，这些力会传播到周围的细胞。在弹性组织的情况下，从细胞簇传播出来的力几乎瞬间完成，并且直到细胞簇停止产生力之前都不会耗散。然而，在粘弹性组织的情况下，从原始部位施加的力会传播较短的距离并随时间耗散。

1.4. 胚胎中粘弹性的起源和作用

胚胎组织是粘弹性的。在细胞水平上，粘弹性可以反映各种结构和材料特性的变化，例如通过细胞骨架动力学或细胞变形。在组织水平上，粘弹性可以反映来自细胞重排和ECM动态重塑的结构变化，例如在伤口愈合、集体细胞迁移、细胞铺展、形态发生和器官发育过程中。

将机械输入与细胞行为或细胞命运的特定变化联系起来的详细分子机制仍不清楚。在细胞水平上，细胞骨架和整合素粘附等成分因其调节机械感应通路和通过调节力产生与变形来改变粘弹性行为的能力而广为人知。例如，虽然转录因子YAP或TAZ的激活被广泛观察到是对机械信号的反应，但介导这种激活的分子步骤仍然未知。已经提出了多种细胞对机械信号的反应，包括细胞命运决定、力产生和各向异性行为。理解调节这些反应的机械信号通路需要考虑细胞或组织的粘弹性特性。随着组织组装成大规模结构，这些结构可能通过其屏障功能或形状变化来感知外部力。

1.5. 机械信号的特征

机械信号在起源上可以高度多样化，并且可以发生在短至毫秒以下、长至数月甚至数年的时间尺度上。例如，壁剪切应力信号会导致内皮细胞产生即时反应和长期变化。类似地，来自创伤的机械信号可以是短期和局部的，也可以是长期并扩散到多个细胞的。例如，单细胞创伤可以在毫秒内触发Src激酶的信号传导；同样，机械敏感通道如Piezo1可以响应膜拉伸，在毫秒内启动钙内流。相比之下，上皮组织的创伤可能需要几分钟才能触发免疫反应。这些信号可以是指令性的，其影响取决于信号的持续时间、频率或空间模式。就像传统的指令性信号（如生长因子、细胞外基质（ECM）或细胞-细胞相互作用）需要足够的持续时间才能引发反应一样，机械信号也需要从目标细胞的微环境中被感知到。

像其他指令性信号一样，机械信号必须在目标微环境中持续足够长的时间以触发反应。为了理解机械信号如何持续，我们需要理解它们是如何被稳定或耗散的。机械信号在生物材料中的持久性取决于其结构特征以及它们组装所用的材料。结构可能会变形、重塑或断裂以释放机械应力。在粘性材料中，信号可能一经产生就丢失，而在弹性固体中，信号可能在力施加期间持续存在。在胚胎中，解剖结构可以通过多种方式缓解机械应力。此外，构成胚胎的生物材料可以是粘弹性的，甚至是粘弹性-塑性的，并且可以耗散机械应力。这些耗散形式可以发生在从秒到小时的时间尺度上。鉴于胚胎中几乎没有组织是完全弹性或完全塑性的，本综述将重点关注细胞和组织的粘弹性及粘弹性-塑性机械特性（统称为“粘弹性”），以及时间和机械耗散可能在生物力学和力学生物学中扮演的角色。

在本综述中，我们将重点讨论粘弹性，并引导读者阅读关于力学生物学和机械感应的优秀综述。我们将讨论测量活体组织粘弹性的方法，以及用于表示细胞和组织尺度粘弹性的数学模型。然后，我们将讨论粘度与细胞和组织行为之间的联系。此外，我们将阐述生物系统粘弹性行为的研究如何与人类健康相关。最后，我们将讨论生物系统粘弹性数学建模的未来方向。

2. 贡献于机械特性的亚细胞结构

亚细胞成分在允许组织抵抗变形的过程中扮演着关键的结构角色。细胞可以通过变形或耗散机械能来避免完整性的丧失，或者可以通过强化增加其机械能，增加抵抗载荷的应力。强化涉及细胞或组织自主调整其内部结构以抵抗机械应力，例如胚胎组织硬化过程中的肌动球蛋白组装、应力诱导的肌动蛋白网络重组、果蝇收敛延伸过程中的强化以及伤口愈合过程中上皮细胞的协调。强化和耗散都可以通过物理适应或激活的信号通路进行。

构成细胞和组织的材料和结构决定了它们表现为弹性、粘性还是粘弹性材料，并支配着它们如何变形和耗散能量。结构力学强调细胞和组织的结构和组织如何影响机械能管理。结构耗散机制包括分层和界面剪切，即组织层在机械应力下滑动或分离（例如，内聚力）。在某些情况下，受压的上皮组织可能会破裂。例如，当压力过大导致滋养层破裂时，小鼠囊胚中会发生水力压裂。上皮内聚力的丧失同样会在应力下损害完整性，正如上皮屏障在机械应变下脱离或碎片化时所见到的那样。这些例子说明了组织尺度结构和层间粘附对于组织如何耗散或承受机械能至关重要。

2.1. 细胞骨架

细胞骨架在细胞跨组织传递力、通过变形抵抗机械载荷以及介导机械感应方面发挥着关键作用。它由三个不同的聚合物网络组成：肌动蛋白微丝（F-actin）、中间纤维（IF）和微管（MT），每个都执行独特且重叠的机械角色，这些角色对细胞功能至关重要。肌动蛋白丝是最丰富的细胞骨架蛋白，可以通过聚合和解聚或通过相关的马达蛋白（如肌球蛋白II）施加推或拉的力。肌动蛋白丝是细胞皮层和细胞-细胞连接的关键组成部分。微管是最刚性的细胞骨架聚合物，对于多种细胞功能至关重要，包括极化、形状改变和细胞分裂。中间纤维形成更柔软但更耐用的网络，保护细胞和组织在高应变或大载荷下免受机械损伤。细胞骨架，尤其是早期胚胎中的肌动蛋白丝，是细胞承受机械应力的能力的基础，它形成了一个由支架和交联蛋白相互连接的动态网状结构。同时，细胞骨架在通过将细胞锚定到细胞外基质和邻近细胞的结构中传递力方面扮演着关键角色。细胞骨架重塑通过耗散机制在细胞粘弹性中起着至关重要的作用。由相关马达推动穿过细胞质的肌动蛋白丝也会产生有助于机械能耗散的阻力。

除了它们独特的个体角色外，细胞骨架在物理上是相互连接的，并共同负责细胞和组织在机械载荷下变形、重塑和适应时的粘弹性。细胞骨架负责弹性和时间依赖性的机械反应，因为细胞在生理时间尺度上变形。例如，细胞骨架丝调节各向异性机械行为，其中细胞形状和丝的方向影响刚度和变形。细胞可以通过改变F-肌动蛋白和角蛋白IF的比例来调整其刚度和应变响应，从而在大的变形过程中调节粘弹性。这些可调的粘弹性特性允许细胞和组织抵抗施加的载荷并将力传递给邻近细胞和细胞外基质。细胞骨架的动态重塑是组织形态发生和稳态的基础。

2.2. 细胞外基质（ECM）

ECM是存在于所有组织和器官细胞外部的蛋白质和其他聚合物的复杂网络。ECM的结构作用是众所周知的，但ECM也有助于细胞和组织的粘弹性行为。ECM的粘弹性特性来源于纤维蛋白，如胶原蛋白、弹性蛋白、纤连蛋白和层粘连蛋白，它们提供抗张强度、弹性，并有助于静态组织结构和重塑。像细胞质一样，ECM由于动态的分子相互作用而表现出弹性抵抗和粘性耗散。ECM通常通过细胞表面受体（如整合素）与细胞骨架机械耦合。

对器官发生的研究，包括小鼠唾液腺，表明ECM的机械特性可以通过刚性调节生长和大规模对流运动。因此，ECM可以显著影响胚胎发育过程中的细胞活动、组织形态和器官形成。ECM，特别是纤连蛋白，也可以在形态发生过程中的机械应力下动态重塑，神经管闭合，次级轴伸长和体节发生的后期阶段。因此，ECM的粘弹性特性可能在发育过程中建立组织层和塑造器官，强调了ECM对细胞、组织和胚胎机械特性的重要性。

2.3. 细胞核

细胞核也可能在发育过程中对粘弹性组织特性有所贡献。核膜和染色质可以作为细胞中的结构元件。核纤层是内核膜（INM）下的一个IF网状结构，调节细胞核的粘弹性行为。IF核纤层蛋白A是核纤层的一个组成部分，可以调节核刚度和粘弹性，使细胞核在迁移和细胞变形等过程中能够承受和适应机械应力。细胞核通过连接核骨架和细胞骨架（LINC）复合物与细胞骨架物理连接，这促进了从邻近细胞或ECM到染色质的机械载荷传递。例如，细胞核和染色质的粘弹性特性允许在肌肉收缩和细胞迁移等细胞过程中发生变形和恢复。细胞核的时间依赖性变形表明它可以储存和耗散应变能。

2.4. 细胞-细胞连接

细胞-细胞连接对于调节粘附和组织力学至关重要。顶端连接通过钙粘蛋白-连环蛋白复合物将邻近细胞之间的细胞骨架连接起来，在介导上皮组织如何产生、传递和耗散机械应力方面发挥着核心作用。通过钙粘蛋白粘附传递的力被传递到细胞骨架网络，导致结构重塑和强化。连接稳定性、周转和力依赖性重塑发生在形态发生运动期间，此时细胞重排很常见，并且必须允许组织抵抗破裂、耗散应力和适应变形。这种动态调节使细胞-细胞连接成为组织水平粘弹性的关键贡献者。连接完整性的破坏或钙粘蛋白周转的改变可能导致异常的力传递和组织破裂，突出了它们对结构和机械完整性的重要性。

3. 测量粘弹性的方法

无论粘弹性的分子或结构起源如何，直接测量胚胎组织中的体内机械载荷都具有挑战性。测量局部或整体机械特性的常用方法依赖于器官型外植体的体外制备，例如，胚胎中通过显微手术暴露的组织或分离的组织碎片，其中细胞、组织层和ECM的体内组织可能得以保留。体内方法可以在整个胚胎中进行，但仅限于透明胚胎和器官，并且仅报告局部微环境机械特性。下面总结的大多数技术旨在量化在不同尺度上（从亚细胞到组织尺度）与形态发生运动生理相关的机械特性。下面报告整体机械特性的方法，例如基于悬臂梁和压头的系统以及微吸吮，假设细胞和组织在所有方向上具有均匀的机械特性（相同的刚度和张力），并且应力和应变平滑且均匀分布。这些方法在其基本假设以及如何量化粘弹性特性方面有所不同。由于实际限制，大多数测量仅限于秒到分钟时间尺度的短期响应。

3.1. 悬臂梁和压头

压头通常包含一个在与材料表面接触时会偏转的悬臂梁。当在原型设备中使用时，悬臂梁可以很容易地构建以施加或测量低至纳牛顿的力。我们的团队曾使用悬臂梁测量器官型组织外植体的时间依赖性整体机械特性。悬臂梁也被用于测量结构刚度以及驱动非洲爪蟾（Xenopus）原肠胚形成、胚孔闭合和脊索硬化的力。悬臂梁也被应用于其他模型系统，例如研究鸡胚胎中的组织可变形性、小鼠肾脏中的空间刚度以及早期鸡胚胎中的定向力生成。最近，一种生物相容的光交联树脂允许在发育中的胚胎中直接铸造悬臂梁状结构，可用于量化发育中鸡胚胎的机械力。悬臂梁非常适合研究小细胞群、聚集体、类器官或整个组织（10-100微米）在中等时间尺度（秒到分钟）上的力产生和粘弹性行为。

原子力显微镜（AFM）和纳米压痕是在更小尺度上操作的基于压头的技术。AFM使用一个成型的尖端（金字塔形或球形）连接到柔性悬臂梁上，通过压入样品并记录力-位移数据来探测机械力。AFM可以使用时域、蠕变和应力松弛测定来评估刚度、弹性、粘附和粘弹性。然而，由于其高频操作和浅的压入深度（<1微米），AFM主要用于检测短期粘性响应，例如细胞皮层或ECM中的纳米级动力学。纳米压痕仪与AFM类似，用于广泛的力、时间尺度和材料。与AFM一样，纳米压痕仪报告整体机械特性和时间依赖性行为，如蠕变和应力松弛，并已用于研究非洲爪蟾胚胎中神经嵴细胞和迁移神经元的机械微环境。总的来说，AFM、纳米压痕仪和定制悬臂梁是探测细胞和组织微尺度力学的强大工具，在力范围和分辨率方面提供互补优势。

3.2. 微管吸吮（MA）

MA是一种通过施加受控吸力压力来测量细胞和组织机械特性的广泛应用技术。在这种情况下，细胞或组织的一部分被吸入玻璃微管中，并测量细胞或组织的变形。通过在已知吸力压力和管径下测量组织的吸入长度，MA可以估算皮层张力（拉普拉斯定律）、刚度（杨氏模量）和粘弹性参数。MA对于在体内和体外测量细胞和组织水平的机械特性也很有用。MA可以使用大直径微通道（50–200 μm）在组织水平测量粘弹性，也适用于使用小直径微通道（1–5 μm）进行单细胞分析，其空间分辨率与AFM相似。MA已被广泛用于研究非洲爪蟾胚胎的机械特性，跨越不同的环境条件，如pH和渗透压，以及允许非洲爪蟾形态发生的温度范围，以及类器官。MA已被用于测量早期小鼠和斑马鱼胚胎的细胞表面张力，并已在双管配置中用于测量细胞间的界面张力。MA的时间尺度通常从几秒到几分钟，可能反映了细胞过程，如细胞骨架重组或流体重新分布。MA也可用于应力松弛和蠕变测试，这提供了对细胞和组织时间依赖性机械特性的见解。此外，基于MA的应力松弛测试已被用于测量细胞球体的粘弹性特性，证明球体粘弹性是变形依赖性的。MA被认为比显微手术切口和激光消融侵入性小，因为它对组织造成的损伤最小。例如，MA已被用于随时间重复测量同一整个胚胎内的模量和力产生，而不损伤胚胎。最近的一项研究整合了MA和光学微弹性成像，结合3D机械运动建模，用于研究活小鼠卵母细胞中粘弹性特性的亚细胞 mapping。MA为探测细胞和组织机械特性提供了一个简单有效的工具。AFM报告短期响应（微秒到毫秒），配备大直径微管的MA更适合中等时间尺度的粘弹性测量（秒到分钟）。总的来说，压痕技术和大直径MA可以在组织水平测量中在可比的空间尺度上操作。同时，用于单细胞MA的小直径微管具有与AFM相似的空间分辨率。

3.3. 液滴传感器

液滴传感器是显微注射的油微滴或球形内含物，可用于报告活体胚胎组织中的机械力。在这种方法中，一个荧光标记的生物相容性油滴或水凝胶被注射到活体胚胎组织的细胞间隙中。油或水凝胶液滴，通常直径为15–50 μm，可以涂有细胞表面粘附受体（如整合素或钙粘蛋白）的配体，从而能够与周围细胞相互作用。当受到周围细胞/组织的机械力时，内含物会发生变形。为了提供信息，必须使用高分辨率共聚焦显微镜观察变形，以便可以重建各向异性应力（单位表面积上的力）。这种方法的优点是它允许量化应力及其在活体组织内的空间变化。此外，当包含铁磁流体时，液滴可以与磁铁一起使用以施加局部应力，从而计算组织弹性特性。这种方法是可适应的，并已应用于评估胚胎小鼠牙齿发育过程中的增殖压力，以及斑马鱼胚胎早期发育过程中细胞内和间质渗透压的作用。与油滴类似，基于水凝胶的内含物也会在细胞产生的应力下变形。与AFM或MA等技术相比，液滴传感器的优点是非侵入性、在发育组织内进行空间分辨的应力 mapping。然而，局限性包括低通量、需要专门的成像和重建算法，以及仅限于快速发育的组织。

3.4. 分子张力传感器（MTS）

MTS可用于测量和可视化细胞和组织内单个分子所经历的机械力。此类传感器围绕几种不同的作用机制开发。分子内张力传感器通过将构象敏感域插入蛋白质中工作。当该域在机械力下变形时，由于福斯特共振能量转移（FRET），荧光信号发生变化。基于FRET的传感器使用供体和受体荧光团，它们在机械力下分离增加，导致能量转移效率降低，这与活细胞中蛋白质水平的力相关。基于DNA的张力探针基于DNA-DNA相互作用的稳定性。基于定位的张力传感器利用天然支架蛋白（如α-连环蛋白）或细胞骨架蛋白角蛋白8中的构象变化。随着跨蛋白质的力增加，这些支架蛋白展开并暴露第二个蛋白质（如α-连环蛋白的纽蛋白或角蛋白8的cten）的隐蔽结合位点。荧光标记第二个蛋白质或识别支架的片段可以可靠地将荧光信号定位到处于张力下的位点。基于DNA的张力传感器使用DNA链展开或拉伸进行力测量，而FRET和蛋白质定位传感器模拟天然受力蛋白以量化细胞机械力。最近，一类报告膜张力的新传感器被开发出来；荧光脂质张力报告器（FliptR）是一种荧光张力探针，通过响应脂质包装和膜变形而表现出改变的荧光寿命来报告膜张力的变化。FliptR是研究细胞发育过程中膜机械变化的一个有吸引力的工具。然而，该探针测量细胞皮层（细胞中主要承重结构）张力的能力尚未经过严格测试。此外，FliptR信号也可能反映膜组成或运输的变化，而不是机械张力。

总的来说，各种形式的MTS是一项新兴技术，在允许在生理条件下实时、高分辨率 mapping 分子力方面具有巨大潜力。MTS已用于各种研究：它已被用于测量跨纽蛋白的力、核膜内力、通过细胞骨架的力传播等。此外，基于FRET的MTS已在非洲爪蟾（Xenopus laevis）胚胎中用于研究胚胎发育过程中分化外胚层张力的变化，另一项研究使用基于FRET的MTS检查斑马鱼胚胎发育过程中跨VE-钙粘蛋白的张力。所有MTS的一个注意事项是它们不提供方向信息，使得直接解释形态发生过程中涉及的机械力变得困难。

3.5. 显微手术切口（MI）和激光消融（LA）

MI和LA可以通过进行精确切割或移除结构的一部分（通过显微手术或聚焦激光）来揭示细胞和组织的张力状态。两种技术都会诱发一个弹开的伤口。开口的速率和程度可以通过组织的变形、回弹和重新排列来记录。MI已使用多年，以证明发育组织中张力的存在和方向，以及活跃组织在张力线被切断后如何随着其应力状态的改变而移动。最近的研究在鸡胚胎中使用MI来研究胚胎发育过程中的机械力模式。LA使用脉冲或高功率激光，通过靶向细胞或组织的特定区域，选择性地破坏结构，如细胞骨架、ECM或细胞连接。LA已成为研究机械力如何在细胞和亚细胞水平传递，以及细胞或组织在机械破坏后如何回弹的强大工具。LA主要应用于上皮片和细胞力学的研究，例如anillin在构建中间肌动球蛋白皮层和调节胚胎组织中连接张力中的作用，以及应用于果蝇、海鞘和小鼠胚胎的研究。LA也已被用于研究线虫（C. elegans）胚胎中驱动胚胎伸长的刚度和力各向异性。MI和LA的局限性在于它们无法区分张力与整体粘弹性特性的贡献。MI和LA报告的回弹速度取决于材料特性和组织张力。例如，一个低张力和低刚度的组织与一个高张力和高刚度的组织可以在MI或LA后产生相同的回弹速度。

当与活体成像结合使用时，LA优于MI。结合结构元件或MTS的活体报告器，LA允许实时探查细胞和核形状、细胞骨架、粘附或ECM重新分布。一项使用LA的著名研究通过特别研究E-钙粘蛋白周转如何影响上皮组织的粘弹性特性，描述了果蝇翅膀上皮的粘弹性特性。这项研究揭示了粘弹性行为和E-钙粘蛋白周转的时间尺度相似，均为10秒左右。LA可以深入了解亚细胞结构在决定上皮组织粘弹性特性中的作用。

3.6. 布里渊显微镜

布里渊显微镜是一种非侵入性、无标记的成像技术，用于研究细胞和组织的刚度和粘弹性。它通过测量光与材料中高频声波相互作用时发生的布里渊频移来工作，并将该频移与微米和纳米尺度的机械特性相关联。布里渊显微镜可以高分辨率操作，提供亚细胞尺度的详细机械信息。布里渊显微镜已被用于评估小鼠心脏样本的心肌粘弹性，以及细胞和亚细胞结构对电脉冲的快速粘弹性响应。它也已应用于胚胎组织，在颅神经管闭合过程中 mapping 高频机械特性，可视化早期胚胎发生过程中的机械动力学，以及跟踪哺乳动物卵泡发育过程中的粘弹性变化。此外，布里渊显微镜已用于小鼠和鸡胚胎，以对比神经管、体节、心脏和神经褶的刚度。然而，布里渊显微镜报告的机械特性是在GHz尺度刺激的范围内，这可能不能完全代表它们在形态发生过程中的机械性能。尽管如此，该技术的非侵入性和无标记的简单性有潜力推动我们对一系列组织和细胞生物力学的理解。

3.7. 组织拉伸器（TS）

拉伸器可以通过使组织变形来施加确定的机械载荷。拉伸器已被用于研究细胞和组织在应变下如何重塑。组织拉伸器通常用电机系统保持或固定细胞或组织样品以施加精确的应变。拉伸器通常与显微镜集成，以便在施加应变后能够实时观察和测量组织的变化。组织拉伸器特别适用于施加稳定、长期的应变，允许观察粘弹性耗散。组织拉伸器已被用于研究细胞几何形状如何影响培养的MDCK上皮片的组织水平刚度。组织拉伸器也已在美西螈和非洲爪蟾胚胎中用于测量早期发育过程中胚胎组织的机械特性。我们团队最近开发了一种组织拉伸器，能够提供活体组织的高分辨率时空成像，并能够实现从0%到150%的应变应用。该系统已与各种细胞类型和组织一起演示，以增进我们对机械力如何影响组织动力学和发育过程的理解，特别是细胞骨架和粘附动力学，这些在比上述方法可及的时间尺度更长的时间上耗散张力。

4. 粘弹性的描述性定量模型

上面讨论的实验工具需要一个理论模型来连接组织变形和工具施加的机械载荷。例如，使用压痕的实验依赖于硬球赫兹接触模型来估计代表粘弹性的生物物理参数。生物材料和结构可以表现出粘性和弹性机械行为，并显示时间依赖性的粘弹性行为，如应力松弛和蠕变。这些长期行为通常难以量化，因为细胞迁移、组织发育和器官发生的异质性和动态性质。在研究内和研究间进行准确评估需要将实验数据与粘弹性材料的理论模型相结合。此外，这些模型中模拟的材料通常被假设为相对简单且具有理想行为。例如，用于描述粘弹性的基于弹簧-阻尼器的模型是线性模型，假设应力和应变之间存在线性比例关系。组织在小应变下可能表现出线性粘弹性行为，但在大应变下表现出非线性行为。因此，虽然这些模型是生物力学分析的标准描述符，但它们在大应变下的性能可能不同。

4.1. “