声学调控机械敏感基因与脂肪细胞分化：开启生命与声音关联研究新篇

在细胞对声波响应研究尚浅的情况下，研究人员开展了细胞对可听范围声波响应的研究。他们用自建系统刺激小鼠 C2C12 成肌细胞，发现不同声波影响基因表达，激活 Ptgs2/Cox-2 通路，且声波抑制脂肪细胞分化，为声学技术用于生物科学提供新思路。

　　在神奇的细胞世界里，细胞就像一个个聪明的小生命，拥有多种机械感知系统，能感知外界各种机械刺激，比如接触压力、渗透压等。声音，作为自然界中无处不在的物理力，是一种压缩机械波，在身体内形成复杂的声学环境。然而，细胞对可听范围声波的响应，这个有趣又神秘的领域，却一直没有得到充分探索。想象一下，细胞在声波的 “轻抚” 下会有怎样的反应？这背后又隐藏着哪些生命的奥秘？为了解开这些谜团，日本京都大学的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Communications Biology》上，为我们揭示了细胞与声波之间的奇妙联系，意义重大。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是构建直接声音发射系统，利用振动换能器在培养基中直接产生声波；二是进行 RNA 测序分析，检测声波刺激后细胞基因表达的变化；三是通过显微镜观察细胞形态变化，追踪细胞边缘的扩展和收缩；四是采用定量聚合酶链反应（qPCR）对特定基因的表达进行定量分析 。

研究结果

1. 识别对声学刺激有反应的基因：研究人员建立了直接声音发射系统，能将多种声波以 100 Pa 的强度直接传输到培养细胞，且不会传递热量。他们选择小鼠 C2C12 成肌细胞进行研究，用 440 Hz、14 kHz 的单频正弦波和白噪声刺激细胞 2 小时和 24 小时后，通过 RNA 测序分析，分别鉴定出 42 个早期响应基因和 145 个晚期响应基因。这些基因参与多种分子、细胞和组织水平的活动，包括细胞迁移、黏附、凋亡等。早期响应基因对三种声音模式的反应相似，而 24 小时后，不同声音模式会引起一些独特的基因反应，比如 14 kHz 声音上调的一组基因会被 440 Hz 声音下调，这可能与培养基的流体作用以及 14 kHz 刺激导致的缺氧有关。
2. 参与响应的细胞和声学因素：研究发现，声音敏感基因的响应有两种模式：触发型基因的 mRNA 水平会持续改变，而尖峰型基因则是短暂响应后恢复到基础表达水平。声音的频率、强度和波形都会影响基因响应。440 Hz 声音在 10 - 250 Pa 强度下，激活和失活的基因呈现比例响应；不同波形（正弦波、三角波、方波）在 100 Pa 强度下，基因响应模式相似，但正弦波的效果略好。细胞密度也会影响基因响应，在高或低细胞密度下，一些基因响应会消失甚至反转。研究人员还发现，前列腺素内过氧化物合酶 2（Ptgs2，也称为环氧化酶 - 2 [Cox - 2]）和结缔组织生长因子（Ctgf，也称为细胞通讯网络因子 2 [Ccn2]）在不同细胞和声学条件下表现出高且稳定的响应，可作为声音触发基因响应的标记基因。此外，研究还表明间接传输的声音对声音响应基因有抑制作用。
3. 声学刺激感知和传递的机制：研究人员通过显微镜观察发现，声学刺激会使 C2C12 细胞边缘扩展，细胞黏附面积增加，这表明细胞骨架重塑因子参与其中。焦点黏附激酶（FAK）在机械转导中起重要作用，研究发现 FAK 的 Y397 位点磷酸化会随着声学刺激时间增加，抑制 FAK Y397 磷酸化会消除细胞对声学刺激的响应，同时也会消除 Ptgs2 和 Ctgf 的响应，说明 FAK 磷酸化在这些基因响应中起上游作用。Ptgs2 编码的酶参与前列腺素 E₂（PGE₂）的生物合成，440 Hz 声音刺激会使 PGE₂释放增加，添加 PGE₂受体 EP4 的抑制剂 L161.982 会取消声音对相关基因的影响，说明 Ptgs2 活性是一组声音响应基因的触发因素。不同细胞系对声学刺激的反应不同，3T3 - L1 preadipocytes 的反应明显更高。
4. 声学刺激对脂肪细胞分化的抑制作用：脂肪细胞分化受 PGE₂通过 EP4 受体信号传导的影响，Ptgs2 表达与 PGE₂产生和脂肪细胞分化相关。研究人员用 3T3 - L1 细胞进行脂肪细胞分化培养，在分化诱导培养基中施加 440 Hz 正弦波声音刺激。结果发现，持续或周期性的声学刺激会显著抑制脂肪细胞分化标记基因 CCAAT / 增强子结合蛋白 α（Cebpa）和过氧化物酶体增殖物激活受体 γ（Pparg）的表达，减少脂质积累，增加未分化细胞的比例。这种抑制作用与添加 PGE₂的效果相似，但声学刺激导致的 PGE₂浓度增加较低，说明可能还有其他未确定的信号转导途径参与。

研究结论表明，细胞对可听范围的声学刺激有独特的响应，频率、强度和波形都会影响基因响应模式。声学刺激通过焦点黏附介导的信号通路，激活 Ptgs2，增加 PGE₂的产生，进而影响细胞功能，包括抑制脂肪细胞分化。不同细胞类型对声学刺激的敏感性不同，这与焦点黏附的结构和功能异质性有关。这项研究重新定义了声波作为细胞刺激物的角色，为在生物科学领域应用声学技术开辟了新途径，比如在组织工程、再生医学和人工组织培养等方面，有望通过调节声波来精确控制细胞活动，为未来的医学治疗和生物技术发展提供了新的思路和方法，开启了生命与声音关联研究的新篇章。