磁力学技术在细胞力学生物学中的革命性应用——2025年米歇尔·奥格奖得主Garcia-Gonzalez综述

《Biophysical Reviews》：Introducing Daniel Garcia-Gonzalez, the 2025 Michèle Auger Awardee

本刊特邀2025年米歇尔·奥格奖得主Daniel Garcia-Gonzalez教授撰写综述，系统阐述磁力学技术如何突破传统力加载技术的局限，实现对细胞外基质(ECM)的远程力操控，揭示机械力经ECM传递至细胞的分子机制，为力学生物学(mechanobiology)和机械医学(mechanomedicine)提供创新研究工具。

　　

在生命科学的微观世界里，细胞如何感知并响应外界机械力一直是困扰研究者的核心难题。传统研究多采用微管吸吮、原子力显微镜等接触式力加载技术，但这些方法往往存在空间分辨率受限、可能干扰细胞正常活动等瓶颈。正是在这样的背景下，西班牙卡洛斯三世大学的Daniel Garcia-Gonzalez教授团队开发了创新的磁力学平台，为解密细胞与细胞外基质(Extracellular Matrix, ECM)之间的力学对话提供了全新视角。

这项发表于《Biophysical Reviews》的综述系统梳理了磁力学技术在力学生物学领域的最新进展。研究者首先剖析了ECM的复杂构成——由胶原蛋白、纤连蛋白等生物大分子与矿物质交织形成的三维网络，其力学特性直接影响细胞行为。特别值得注意的是，ECM的刚度变化能够激活细胞膜上的力敏感受体，如Piezo离子通道，从而触发细胞内信号传导级联反应。

磁力学平台的技术突破

与传统方法相比，磁力学技术通过外磁场远程操控磁性微球或纳米颗粒，实现对ECM的非接触式力加载。这种技术具备高时空精度优势，可在活体组织中实现多点位同步力刺激。关键技术突破包括：1）开发超顺磁性纳米颗粒功能化修饰技术，实现ECM特异性锚定；2）建立多物理场耦合计算模型，精确量化力传递过程中的能量耗散；3）结合荧光共振能量转移(FRET)技术，实时监测机械敏感蛋白的构象变化。

机械力传递的分子路径

通过磁力学平台研究发现，ECM施加的力可通过整合素(integrin)介导的黏着斑(focal adhesion)传导至细胞骨架。当力超过阈值时，会引起Talin蛋白构象变化，暴露出隐藏的 vinculin 结合位点，进而增强黏着斑的稳定性。这一过程与细胞迁移、分化等生理活动密切相关。

力敏感离子通道的激活机制

研究特别关注了机械力对Piezo通道的调控作用。磁力学实验证实，ECM刚度变化引起的膜张力改变可直接激活Piezo1通道，引发钙离子内流。这种机制在血管内皮细胞对血流剪切力的响应中发挥关键作用，为心血管疾病治疗提供了新靶点。

跨尺度力学建模

团队开发的多尺度计算模型将微观的分子构象变化与宏观的组织力学响应相耦合。模型预测显示，ECM的纤维取向会影响力的分布均匀性，这一发现为组织工程支架设计提供了理论指导。

技术应用前景与挑战

磁力学技术在药物筛选领域展现出巨大潜力，例如通过模拟肿瘤组织的高刚度环境，可加速抗纤维化药物的开发。然而，当前仍面临磁场穿透深度有限、长期生物安全性待验证等挑战。未来研究方向包括开发可生物降解的磁性材料、结合人工智能算法优化力加载模式等。

这项研究的重要意义在于建立了从分子到组织水平的机械力研究新范式。通过磁力学技术，研究者能够精确操控细胞微环境，揭示机械力在胚胎发育、组织再生及疾病发生中的核心作用。Garcia-Gonzalez教授的工作不仅推动了力学生物学基础理论的发展，其创立的衍生企业60Nd更促进了相关技术的临床转化，为机械医学时代的到来奠定了坚实基础。