在我们的身体里，每一个细胞都像一座繁忙的城市，无数分子不停地运动、相互作用，维持着生命活动。然而，细胞之间如何相互交流？它们又是如何组织起来形成复杂的组织结构？这些问题一直是生命科学领域的重要课题。通过对细胞间长程力作用的深入研究，人们得以了解细胞间交流的一种全新机制。

　　一、发现细胞的“长途电话”：细胞间长程力作用

　　在生物体的组织形成与发育过程中，细胞间的信息交流扮演着关键角色。传统认知中，细胞主要通过分泌化学信号分子（如生长因子、细胞因子）或产生电生理信号来实现近距离的信息传递。然而，近年来的研究揭示了一种令人惊叹的细胞通信方式——长程力作用，这一发现正在改变我们对细胞通信的传统认知。

　　传统观点认为，细胞主要通过化学信号或电生理信号进行近距离交流。然而，在研究细胞间的力学通信机制时，科学家们发现了一个令人着迷的现象：气道平滑肌细胞（ASMC）和血管内皮细胞（HUVEC）能够通过感知基质中传递的机械力建立起远距离的“对话”。这种基于力学的通信方式不仅影响细胞的个体行为，还能指导整个细胞群体的有序排列。

　　通过精密的实验设计，研究人员揭示了这种通信机制的本质。令人惊讶的是，即使在不含I型胶原的基质中，ASMC细胞仍然能够进行远距离交流。然而，当研究人员抑制牵张力的传递时，细胞间的这种"对话"立即中断。这个关键发现表明，真正起作用的是力的传递，而不是人们之前认为的纤维结构。更为精妙的是，单个细胞表现出了惊人的“社交能力”。它们能够产生多个突触突起，而这些突起并非随机生长，而是精确地指向远处的邻居细胞。这种定向生长可以跨越相当于5～10个细胞直径的距离，展示了细胞感知远程信号的卓越能力。

　　二、解密细胞的"远程通信"机制

　　在微观的细胞世界中，远程通信是如何实现的？这个问题的答案蕴含着生命系统的精妙设计。通过一系列创新性的实验研究，科学家们逐步揭示了这一通信机制的复杂细节。

　　这种远程通信的核心是细胞与周围基质之间的力学互动。特别是在含有I型胶原的基质环境中，细胞展现出了令人惊叹的远程感知能力。当细胞对周围基质施加牵张力时，这种机械力会通过基质向四周传播，就像在平静的湖面投下一颗石子，涟漪会向四周扩散。而更为神奇的是，远处的细胞能够精确地感知这种力的传播并做出响应。

　　在实验观察中，气道平滑肌细胞（ASMCs）展示了这种远程通信的典型特征。这些细胞能够感知相距100～300微米（相当于5～10个细胞直径）远的邻居细胞发出的力学信号。更令人惊讶的是，它们不仅能感知这些信号，还能精确地朝着信号来源方向生长。这种精准的方向性响应表明，细胞具有复杂的力学感知和信号处理能力。

　　图1 ASMCs通过基质牵张力响应产生精确指向相邻细胞的突触（A），而抑制牵张力后，变成了随机的突触生长（B～D）；由于缺乏牵张力传递，培养在玻璃上的细胞不能感应到相邻细胞 (E,F)。

　　为了准确测量这种力的传播范围，研究人员采用了巧妙的微珠示踪技术。通过在基质中植入微小的示踪珠，并追踪它们的运动，研究人员发现来源细胞产生的牵张力能在基质中传播长达400微米的距离。这个发现具有重要意义，因为它首次定量地证实了细胞产生的力学信号可以影响如此遥远的范围。

　　图2 微珠示踪分析显示来源细胞的牵张力在基质胶上的长距离传播。

　　更有趣的是，这种力学通信并不仅仅依赖于特定的基质成分。即使在不含I型胶原的基质中，细胞仍然能够进行有效的远程交流。这说明牵张力的传播是一个更为普遍的细胞通信机制。然而，基质的物理特性确实会影响通信的效果。例如，当用化学交联剂处理基质，使其变得更加僵硬时，力的传播就会受到显著抑制。

　　细胞是如何感知这些力学信号的呢？研究表明，细胞膜上存在多种机械敏感性蛋白，包括离子通道和受体分子。当基质传来的力作用于这些蛋白时，会触发一系列细胞内的信号级联反应，最终导致细胞骨架重组和基因表达改变。这种多层次的信号转导确保了细胞能够对力学信号做出准确而持续的响应。

　　三、从单细胞到组织：细胞群体的组织机制

　　细胞间的力学通信展现出的不仅是单个细胞的智慧，更令人着迷的是它如何引导整个细胞群体的协同行为。这种集体行为展示了生命系统中一个重要的组织原则：通过局部的相互作用产生全局的有序结构。

　　在细胞与基质的相互作用研究中，科学家们观察到了令人惊叹的现象：气道平滑肌细胞（ASMCs）在含有I型胶原的软基质表面会自发形成规则的网格结构。这种自组织现象并非随机发生，而是由细胞间的力学对话精确调控。通过远程力学通信，每个细胞都能感知邻近细胞的位置和运动状态，并据此调整自己的行为，最终形成高度有序的整体结构。

　　图3 I型胶原介导的长程生物力作用诱导ASMCs细胞的网格结构自组装。

　　更为有趣的是，细胞不仅能感知和响应力学信号，还能主动重塑其生存环境。研究发现，当将荧光标记的溶液态I型胶原与细胞共培养时，细胞的运动能够驱动胶原分子聚合成有组织的纤维结构。这些新形成的纤维并非杂乱无章，而是形成了有序的条带状结构。更令人惊奇的是，这些纤维的形成与细胞的群体运动表现出高度的时空相关性。

　　图4 DMCK细胞群体分枝形态发生和I型胶原纤维生成之间具有高度的时空相关性。

　　这种细胞-基质互动形成了一个精妙的反馈循环：细胞的运动驱动胶原纤维的形成，而这些纤维又为细胞的定向运动提供了物理指引。通过实验证实，当抑制细胞的收缩力时，不仅细胞的运动受到影响，胶原纤维的形成也显著减弱。这表明细胞产生的机械力在驱动基质重构中起着关键作用。

　　在肾上皮细胞的研究中，这种细胞-基质互动展现出更复杂的调控模式。细胞能够主动摄取环境中的基质成分，并将其组装成特定的结构。更有趣的是，不同类型的基质成分会诱导形成不同的组织形态：基底膜成分促进形成球形小叶，而I型胶原则诱导管状结构的形成。这种选择性不仅体现在最终的形态上，还反映在细胞群体的极化过程中。

　　图5 细胞与溶液态基质的相互作用调控肾上皮微组织的形态发生和基质的结构组装。溶液中的基底膜（BM）和I型胶原（COL）分别促进细胞形成极化的上皮球形小叶和管结构组织（左图），并且在组织周边分别组装了BM基质和COL纤维（右图）。

　　这些发现揭示了组织形态发生过程中一个重要的调控机制：细胞通过力学作用不仅能感知和响应环境信号，还能主动重塑环境，创造有利于组织发育的条件。这种双向互动确保了组织形态发生的精确性和可靠性。理解这种细胞群体行为的机制对生物医学应用具有重要意义。这些研究结果提示我们，通过优化基质的组成和力学特性，可能为指导组织的自组织提供新的方法。同样，在再生医学中，理解细胞如何协同重构基质也可能帮助我们设计更好的组织修复策略。

　　四、应用前景与未来展望

　　随着科学技术的不断进步，我们对生命系统的认知正在经历一场深刻的变革。细胞长程力作用的发现，让我们得以窥见生命系统中一个精妙的通信网络。在这个网络中，细胞能够通过产生和传递机械力，在数百微米的范围内与远处的邻居"对话"。这种通信方式不仅展现了单个细胞惊人的感知能力，更揭示了细胞群体如何通过协同作用构建有序的组织结构。更令人着迷的是，细胞不仅是这个力学网络中的被动参与者，还能主动重塑它们的生存环境。通过精确的力学调控，细胞能够将无序的胶原分子组装成有向的纤维网络，这些纤维又反过来指导细胞的运动方向。这种细胞与环境之间的动态互动，展现了生命系统中一个普遍的组织原则：通过局部的相互作用产生全局的有序结构。

　　这些发现不仅推进了我们对生命本质的理解，也为医学应用开辟了新的方向。在组织工程领域，这些知识正帮助我们设计出更接近天然组织的人工替代物；在癌症治疗研究中，理解细胞与微环境的力学互动可能为我们提供新的治疗靶点。

　　展望未来，细胞力学通信领域还有许多待解之谜。我们需要更深入地理解细胞如何感知和处理力学信号，不同类型细胞之间的力学对话是否存在特异性，以及这些微观的力学互动如何精确调控宏观的组织形态。正如这些研究所展示的，生命不仅是生化反应的集合，还是一个精密的力学系统。通过持续的探索和创新，我们正在逐步揭示生命系统中这些令人惊叹的物理机制，书写着生命科学新的篇章。

　　致谢：感谢国家自然科学基金面上项目“细胞长程力在上皮管状结构自组装中的作用及其信号转导机制研究”（项目编号：11872129）、“细胞力学各向异性分布介导组织结构发生的分子响应机制研究”（项目编号：12372312）的支持 。

　　作者：欧阳明星

　　〔欧阳明星，男，博士，1976年10月生。2005年在中国科学院生物物理研究所博士毕业。2006年起先后在伊利洛伊大学香槟分校和加州理工学院做博士后；2011年起先后在耶鲁大学和加州大学圣地亚哥分校担任助理研究员；2017年加入常州大学，2019年入选“江苏特聘教授”，2023年获“中国产学研合作创新奖”。目前担任中国生物医学光子学专委会委员、江苏省生物力学学会委员、广东省精准医学应用学会类器官和器官芯片分会常务委员等学术职务。在生物医学工程领域有接近20年的研究经验，重点方向是细胞与分子生物学、生物力学，在活细胞成像和荧光共振能量转移技术（FRET）领域累积了丰富经验。在国内外的国际期刊上发表论文40余篇（含共同作者），被引1800多次。〕