力学细胞生物学是生物工程中的一个主题，也是近代细胞生物力学的主流。它研究机械力如何调控组织的形态和功能，也研究组织是如何通过细胞生理学的变化对力学刺激进行反馈。 根据美国国家工程院的定义，生物工程包括下列十二个方面：系统生理、生物物理、康复工程、生物力学、生物材料、生物传感器、生物环境、生物图像、论断与治疗方法、人工脏器、生物催化与反应器、生化分离及纯化、生化仪器与控制。其中，生物力学广泛应用于生物工程各方面，因为生物界中，从分子到动植个体无不服从力学规律。将传统的力学方法与概念应用于生物系统的观察和解释，就是生物力学。生物力学的发展，解答了许多原来存疑的生命奥秘。 由于生物医学研究日新月异的发展和生命系统的高度复杂性，诸如动态的新陈代谢机制，细胞内复杂的信息接受转换与激化机制以及生理学、遗传学，适应和基因调控的力学关系等，都难以用传统生物力学手段来观察及阐明。 研究力学环境（刺激）对人类健康、疾病或损伤的影响，阐明其机制，进而发展出治疗的新路途、新技术、新医药，这些都是现代生物力学所期待的。 本研究论文以人的前交叉韧带(ACL)和内侧副韧带（MCL）的成纤维细胞物理性质的改变、受力及变化为主轴，从传统的力学分析、细胞受力后的应答以及对力学刺激的反馈等方面进行深入研究，并在此基础上进一步探讨损伤后无法自然愈合的前交叉韧带的修复机制。本论文实验共分四部份（第二、三、四、五章）。 第一部份（第二章）：研究人韧带成纤维细胞对胶原Ⅰ型和胶原Ⅲ型黏附强度的差异以及信号通路对ACL和MCL成纤维细胞黏附纤维结合基质蛋白的影响。在韧带损伤后新的结缔组织形成之前的炎症性过程中，韧带成纤维细胞嵌入韧带愈合组织基质，迁移进入损伤部位。迁移过程中细胞运动性对细胞黏附细胞外基质蛋白有重大影响。ACL和MCL成纤维细胞对胶原Ⅰ型和胶原Ⅲ型的黏附机制揭示了细胞对损伤修复过程应答的行为。胶原Ⅰ型和胶原Ⅲ型是两种原纤维胶原，由ACL和MCL成纤维细胞分泌并在细胞外空间装配成长的电缆状的原纤维。胶原Ⅰ型和胶原Ⅲ型是构成ACL和MCL两种韧带的主要结构蛋白。本研究通过微量吸管抽吸技术测定ACL和MCL成纤维细胞从由胶原Ⅰ型和胶原Ⅲ型构成的基质上分离下来所需要的力。我们测定了来自于ACL的约1，200个成纤维细胞和来自于MCL的约1，600个成纤维细胞的黏附强度（黏附力/黏附单位）。我们还研究了ACL 和 MCL成纤维细胞黏附纤维结合蛋白（基质的一种黏附蛋白）中的信号通路，其中重点研究了环磷酸腺苷和Ca2+/磷脂通路，以明确在细胞结合/黏附和铺展在纤维结合蛋白表衬的表面过程中整合受体介导的信号。用信号通路树状抑制因子处理细胞后，测定单个细胞的黏附强度。用带有定量荧光系统（Image-1/F软件）和硅增强器靶管（Hamamatsu光学电子设备）的Fura-2（钙离子选择荧光探针）研究细胞内钙的分布，基于这个平行实验，确定细胞内钙在ACL和MCL间整联介导的黏附中的作用。结果MCL成纤维细胞在细胞溶质游离钙中对纤维结合蛋白的结合增强2.2倍，而ACL成纤维细胞在钙中无明显变化。 第二部份（第三章）：-通过电穿孔技术向ACL和MCL成纤维细胞中转入放射整联桥接蛋白抑制因子（踝蛋白、粘着斑蛋白和a-辅肌动蛋白）后，两种细胞表现出不同的黏附力，这种抑制因子可以显著减弱ACL和MCL细胞的黏附，同时可以降低张力丝的形成和细胞延伸率。分别用细胞松弛素D和秋水仙碱阻断肌动蛋白丝和微管的装配后，也可以显著减弱ACL/MCL细胞的黏附性。ACL和MCL成纤维细胞的黏附都依赖细胞骨架装配，然而，在许多方面,ACL和MCL对细胞骨架装配的依赖性是不同的，特别是对原肌球调节蛋白（在肌动蛋白丝的自由端或尖端发现的一种成帽状蛋白），外源性原肌球调节蛋白释放后，MCL黏附出现增强。一般说来，韧带细胞黏附依赖（1）肌动蛋白丝装配/张力丝形成，它们可以影响整联蛋白的空间分布；（2）放射整联桥接蛋白的功能，它能影响整联蛋白构形变化。所有这些调节因素对细胞黏附性都有重大影响。 第三部份（第四章A、B）：主要研究炎症条件下韧带细胞的迁移，增殖和愈合。经过出血、炎症、增殖和组织重建这个有序的过程后，韧带开始愈合。在细胞水平上，愈合包括细胞的脱离，对伤口周围基质的黏附，迁移和增殖。本部分研究的目的是确定在相同的炎症条件下，ACL和MCL成纤维细胞的迁移和应答是否存在本质区别。我们设计了两组实验，一组是制造各种宽度的创口（通过用接种环在融合的细胞层上制造无细胞区域来模拟体外创伤），使细胞可以迁移到这个无细胞缺口区域，另一组是添加炎症因子(TNF-a, C5a和脂多糖)。随着伤口的宽度增加，两种类型的韧带细胞的恢复率都下降（ACL的斜面为0.13 hr/μm而 MCL的斜面为 0.10 hr/μm）。使用三种炎症因子都能降低两种韧带细胞的恢复率，愈合速度比对照组慢1.4～2.3倍。然而，在两组实验中，ACL成纤维细胞对炎症因子的更为敏感，MCL细胞的恢复率更高（快1.2～3.4倍）。 第四部份（第五章）： 通过使用切削刃研究开发一种基质金属蛋白酶（MMPs）抑制因子鸡尾酒式疗法来帮助损伤ACL愈合，减少将来用韧带组织移植进行的ACL重建。由于ACL缺乏足够的愈合应答，尽管采用了各种方法修补损伤后ACL的重建功能，并多年来沿用这种方法，但效果很不理想，包括同种异体移植，异种移植和自体移植。后来，也采用来自于髌韧带、髂胫带、半腱肌和股薄肌腱的组织。然而，从这些器官获得的组织供体部位的强度和功能的不一致，可能会导致次级并发症。并且衰退的ACL重建花费昂贵，还需要进行复杂的外科手术。在过去的十年中，我们实验室证明了ACL和MCL在细胞水平和分子水平上存在一些本质的区别。实验初步研究证明了基质金属蛋白酶-2（MMP-2）和MMP-9在ACL和MCL上的活动对分子和细胞过程产生不利影响，这些过程包括基质消化、组织重建和组织再生。本部分研究聚焦于炎症和生长因子作用下，在细胞水平（体外），组织水平（体外）和动物模型水平（体外）上MMP家族蛋白对ACL基质的重建和愈合的影响。 我们发现MMPs的过度表达是ACL损伤后无法自然愈合的重要原因。通过减弱MMPs分子表达和破坏它的平衡是改进组织再生和重建能力，促进伤口愈合和增强ACL生理强度的有效方法。这一前沿的研究工作是工程学、医学和生物学的交叉融合，是在体外从细胞、分子水平上对生物体细胞、组织和器官的研究。 本论文的系列研究主要探索了力学环境对成纤维细胞生命活动的影响及调控。研究目的是阐明韧带损伤后的力学过程与生物学过程，如重建、适应性变化、修复机制和基因调控之间的相互关系，从而发展出一个新的方法，以解决前交叉韧带损伤后无法自然愈合的医学难题。研究结果解释了ACL成纤维细胞与MCL成纤维细胞在创伤愈合能力上的差异，在细胞、分子水平上揭示了这两种细胞对损伤修复过程不同的应答行为。进而发现其不同内在特性是愈合能力差异的根本原因，即存在着一些本质的区别，进一步研究拟定出一种ACL修复的鸡尾酒式调制配方。