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本文聚焦上皮组织在周期性拉伸（cyclic stretch）下的力学响应。探讨了正常与病理状态下的周期性负荷机制，分析了肌动蛋白细胞骨架（actin cytoskeleton）等在其中的作用，阐述损伤积累和修复机制，对理解组织稳态和疾病发生意义重大。
上皮组织常经历周期性负荷
上皮组织作为覆盖在身体内部结构和腔体表面的二维细胞层，在人体生理活动中发挥着重要作用，像心脏上皮一生要经历超 25 亿次收缩和扩张循环。在正常生理状态下，许多器官的上皮组织都会经历周期性拉伸和松弛，例如心脏在收缩周期中承受振荡应力，肠道在蠕动时肠腔会有节律地变形，膀胱和肺在生理功能活动中也会周期性地充盈和排空 。
不过，并非所有的周期性负荷都是有益的。过度或异常的周期性负荷会给上皮组织带来麻烦，导致微损伤甚至破裂。正常呼吸时 25% 应变的周期性变形，对细胞骨架调节和屏障功能相关的分子过程有积极的调节作用；但病理应变就不同了，它会改变连接蛋白的表达，造成细胞旁间隙形成，进而破坏上皮组织的屏障功能。而且，像心脏瓣膜脱垂、急性肺损伤、炎症性肠病等疾病，都和过度或失调的周期性拉伸脱不了干系，这类拉伸的特征就是拉伸幅度和频率出现了异常。
在研究周期性变形时，应变是一个比应力更可靠的指标。因为在机械加载过程中，组织的所有耦合层会一起变形，而应力测量由于难以区分上皮组织和其他耦合组织（如基质、底层肌肉层）的贡献，结果不太好解释。虽然由于上皮组织复杂的拓扑结构（如小肠的隐窝和绒毛）以及包含多种力学特性不同的细胞类型（如肠上皮中的肠细胞、杯状细胞和簇状细胞），应变场可能存在一些异质性，但目前对这些异质性研究还不够深入，所以周期性应变特征仍是研究上皮组织应变控制重塑和自我修复的重要指标。通过总结相关研究数据，我们能了解不同器官中健康和患病上皮组织的周期性应变幅度和频率等信息（可参考相关表格数据）。
上皮组织对应变的力学响应
上皮组织在受到变形时，所承受的应力与其流变学特性紧密相关，这种流变学呈现非线性，并且对应变的大小和速率有很强的依赖性。从单个分子交联剂，到单独的细丝，再到细丝网络，各个尺度都有着独特的与时间相关的行为。其中，应变硬化这种非线性行为，可能是组织为了抵抗突然增加的负荷（比如冲击）而产生的一种适应性变化。上皮组织在应变作用下会发生硬化，这个过程不仅取决于应变的大小，还和变形的速率有关。
当上皮组织持续受到失调的负荷时，细胞会做出适应性调整，主要通过调节细胞骨架和连接蛋白来抵抗机械应力，维持屏障功能。这种调节可以通过翻译后修饰、蛋白质募集（在几秒到几分钟的时间尺度内发生）或者转录调节（时间尺度较长）来实现。而且，根据周期性负荷的时间尺度不同，会有不同的生物物理现象影响组织的损伤和修复。
动态肌动蛋白细胞骨架赋予组织弹性
肌动蛋白细胞骨架通过黏着连接（adherens junctions，AJs）在细胞间相互连接，形成了一个超细胞网络，在组织力学中扮演着关键角色。在黏着连接中，E - 钙黏蛋白通过其细胞外结构域与相邻细胞结合，再通过细胞内结构域与 β - 连环蛋白和 α - 连环蛋白结合，从而与肌动蛋白相互作用。肌动蛋白细胞骨架和黏着连接都会对机械张力做出反应，并且受到机械张力的调节。
在小变形情况下，肌动蛋白网络的张力 - 应变响应呈线性，并且受机械力调控。但从较长时间尺度来看，由于交联剂和肌动蛋白丝的周转（时间≤1 分钟 ），肌动蛋白网络会表现得像粘性流体，这会导致上皮组织发生应力松弛。当受到负荷作用时，一些黏着连接蛋白会展现出 “catch - bonding” 特性，也就是在适度负荷下，分子键会变得更稳定。比如，E - 钙黏蛋白的跨二聚体在约 30 pN 的负荷下最稳定，肌动蛋白丝与 α - 连环蛋白之间的键在 10 pN 的分子负荷下稳定性会提高 20 倍。除了 E - 钙黏蛋白，像 PDZ 突触后密度蛋白（PSD95）、果蝇盘状大肿瘤抑制蛋白（DlgA）、从 nectin - 1 和连接黏附分子 - 1（JAM - A）的 zonula occludens - 1 蛋白（zo - 1）结构域等与肌动蛋白细胞骨架相关的细胞间黏附蛋白，也被发现能与 afadin 形成 catch bonds 。在成熟的肠道上皮中，nectin 可能才是通过超细胞肌动蛋白细胞骨架传递力的主要连接蛋白。
“catch - bonding” 使得细胞能够快速强化细胞间连接，具体方式是延长键的寿命并形成新的连接，以此缓冲瞬时张力。vinculin 的募集会进一步增强 cadherin - catenin 复合物的稳定性。而在长时间的负荷作用下，会有更多的复合物被募集，这样就能重新分配负荷，缩短每个键的寿命，让结合连接的比例恢复到稳态水平。
中间丝起到减震和提供机械记忆的作用
中间丝（Intermediate filaments，IFs）以及连接相邻细胞中间丝的桥粒，在组织中形成了第二个超细胞网络。关于桥粒蛋白在上皮组织处于静止状态时是否承受负荷，目前还存在争议 ，但由桥粒连接的角蛋白网络在单层细胞发生大变形时，对机械响应起主导作用。在静止状态下，角蛋白丝束呈波浪状。当组织被拉伸时，它们会逐渐变直，在大变形情况下开始承受负荷，这会引发多阶段的应变硬化响应。
为了更好地描述这种现象，一些建模研究在超细胞细胞骨架网络的应变硬化模型中加入了非线性成分，比如用 “slack” 来表示角蛋白束的波浪度或 “缠结程度”，它就像是一个拓扑安全网。在持续拉伸作用下，单个角蛋白丝之间可以相互滑动，在几十分钟的时间内会导致束内流动和能量耗散。这种机制可能让上皮组织记住其变形历史，也就是具有长期的机械记忆。
与角蛋白中间丝相关的机械转导反应研究得还不够深入。不过已经发现，在张力作用下，一些信号通路会通过细胞连接蛋白 plectin 增加角蛋白网络与肌动蛋白细胞骨架的相互作用 。Tensin 4 会被招募到受张力作用的角蛋白纤维上，并且在变形释放后还能在局部停留几分钟，这表明它可能参与了对周期短于几分钟的循环负荷的适应过程。从更长的时间尺度来看，角蛋白可能通过保护细胞核免受变形影响，间接调节转录反应。虽然桥粒连接对应力的适应性变化可能也对机械记忆有贡献，但目前对机械响应性桥粒重塑的程度和时间尺度还不太清楚。
非生理应变导致生物材料损伤积累
组织损伤可能由单次高振幅变形引起，也可能是由于超生理应变的重复循环导致缺陷积累造成的。在材料工程中，疲劳是指通过控制周期性加载来探究材料的耐力极限、能量耗散和失效机制，这种疲劳会使经典工程材料产生累积损伤，这是一个逐渐且不可逆的过程，重复的应力循环会慢慢破坏材料的结构，即使单个循环不会立即造成宏观损伤，微观损伤也会不断积累，最终导致材料失效。和工程材料不同，生物组织有自己的修复机制。
在软组织中，损伤积累可能直接源于细胞间键和细胞外基质（Extra Cellular Matrix，ECM）黏附的断裂，也可能是细胞对应变的主动反应间接导致的。比如对小鼠肺泡上皮层进行循环拉伸测试发现，在肺容量变化 80%（即过度膨胀）时，细胞间会出现间隙，上皮屏障完整性遭到破坏。这是因为 p120 - 连环蛋白的表达下调，使得细胞间连接不稳定，从而形成细胞旁间隙 。对食管黏膜进行 70% 的大振幅单轴循环拉伸，会出现滞后现象、永久变形、应力软化，甚至偶尔会发生破裂 。另外，单纯性大疱性表皮松解症中角蛋白 5 或角蛋白 14 的突变，会使上皮组织在受到剪切应力时完整性减弱。
组织的几何形状也是影响上皮组织稳定性的关键因素。作用于连接复合体的力的方向，很大程度上决定了连接对负荷的响应方式。在果蝇胚带中，对黏着连接施加拉伸应力会增加 E - 钙黏蛋白和 vinculin 的募集，而施加剪切应力则会导致 E - 钙黏蛋白从黏着连接中丢失 。这种连接稳定性与几何形状的关系，能够解释为什么与疾病相关的连接肌动蛋白组织变化会使组织变得脆弱。例如，肌动蛋白结合蛋白 fascin - 1 的病理性表达，会改变黏着连接的几何形状，具体表现为改变连接界面的曲率和排列方式，这会降低连接的稳定性，增强细胞的突出活性，使细胞形状拉长并极化，进而可能诱导癌细胞的迁移和侵袭。
要想更深入地了解不同循环加载模式对上皮组织稳定性的影响，进一步详细研究上皮组织中细胞间接触的结构至关重要。随着细胞间连接成像技术的不断进步，开展这类研究变得越来越可行。
上皮组织的修复机制
细胞间连接的重新结合
在分子层面，修复主要有两种形式：一种是间隙或微损伤的闭合（当两个表面完全分离时）；另一种是恢复到稳态的细胞间键密度（没有明显的细胞内间隙形成，但由于受力，连接两个细胞的键数量减少）。
Bell 提出了一个经典模型来研究细胞间黏附的生物物理学。在这个模型里，细胞连接被看作是由可逆连接连接的两个表面，这些连接可以处于结合或未结合状态。每个连接都有一个固定的结合概率kon，未结合概率则与力有关，公式为koff=koff,0ef0f 。当连接两个表面的所有连接子都未结合时，就会发生破裂。这个模型可以用来探究导致连接失效的临界加载条件，比如不同速率的应变斜坡加载。之前的研究表明，最终的结果取决于结合和未结合速率、加载速率以及负荷大小之间的相互作用 。当负荷超过某个临界恒定值时，连接会迅速丢失，进而导致失效。不过，时变负荷的影响还没有得到全面研究，尤其是当负荷只是短暂超过临界值的情况。果蝇羊膜浆膜会产生周期为 200 s 的脉动应力，当胚胎受到外部加载时，细胞表面会出现间隙，但肌球蛋白能在 200 - 400 s 内使分离的表面重新结合，这就是一个有趣的例子，说明在循环加载中，低张力时期可能为组织提供修复和自我愈合的机会（可参考相关图示）。
Bell 模型有一个重要假设，即力是均匀分布在所有结合连接上的。后来的研究对这个模型进行了扩展，考虑了局部负荷分担，以此来研究裂纹起始和连接失效的临界长度 。大多数模型通常假设细胞膜是刚性的，但 Li 等人考虑了细胞的黏弹性变形 ，他们发现黏性有助于延长细胞膜分离的时间，从而增加配体 - 受体对重新结合的可能性，有利于修复。当细胞膜分离距离超过细胞间连接子的作用范围时，就需要细胞突起将它们重新连接起来。最近的研究也表明，细胞连接部位一直存在突起力，以维持细胞膜的紧密接触。
在细胞中，E - 钙黏蛋白和桥粒钙黏蛋白都会组装成不同的簇，这些簇的大小受力学调控 。预测显示，小于 10 pN 的力会促使形成大量小簇（每个簇含少于 5 个 E - 钙黏蛋白），而高力则更有可能形成少量但较大的簇 。目前还不清楚这种调控是如何发生的，以及黏附为什么会以簇的形式组织起来。有一种观点认为，纳米簇是每个细胞伸出的相互交错的微刺，目的是增加细胞间接触面积。从生物物理学角度看，将连接组织成簇可能使连接更具适应性，修复效率更高。但这也带来了新的问题，比如力在簇之间和簇内部是如何分布的，以及这对连接重塑有什么影响。
组织流化促进伤口愈合
当细胞或多细胞伤口出现后，需要不同的机制来闭合伤口。这其中包括片状伪足的伸出，使其侵入伤口间隙；或者形成多细胞肌动蛋白收缩环，让细胞膜接触并重新形成新的连接。多细胞间隙的闭合通常需要组织重新排列，涉及细胞插入过程。
以果蝇翼盘上皮为例，当受到多细胞伤口刺激时，它首先会经历一个快速闭合阶段（约 20 分钟），这主要是由肌球蛋白 II 介导的收缩环收缩引起的，闭合速率约为 15 μm2/min ；之后是一个缓慢的边缘细胞插入阶段，可持续长达 4 小时，这个过程需要上皮组织解聚 。此外，上皮细胞的邻居交换现象类似于从脆性到韧性的转变，这是由拓扑缺陷导致的，它能加速伤口修复。在果蝇胚带的汇聚延伸过程中，组织会发生 50% 的应变，细胞插入过程持续 25 - 30 分钟 。在这个过程中，原来的连接会在 10 分钟内收缩成一个四向接触点，再花 10 分钟形成新的连接，完成邻居交换。不过，细胞在这个过程中是如何维持组织完整性的，仍是一个研究热点。
有意思的是，周期性加载可能会通过暂时减轻连接上的负荷，促进细胞插入。实验和建模都表明，张力的局部异质性会驱动邻居交换 。这意味着生理周期性加载可能因为细胞间接触处的张力波动，促进组织重塑和邻居交换。有研究发现，单向循环拉伸能增加细胞重排的频率，并使上皮细胞集落沿拉伸方向伸长 。数学建模也表明，细胞形状的改变以及细胞 - 细胞界面的定向扩展，通过依赖肌球蛋白 II 活性的机制，可以诱导细胞插入 。通过比较外部周期性机械刺激的频率和持续时间，以及细胞迁移、增殖和插入的固有时间尺度，我们可以更好地了解在不同的受周期性加载的上皮组织中，可能发挥作用的组织修复机制。
结论
要想弄清楚上皮组织在生理周期性变形下保持稳定的条件，就必须充分考虑上皮组织中多种多样的损伤和修复机制，以及这些机制发挥作用的广泛时间尺度。我们可以推测，在拉伸阶段积累的任何损伤可能都是暂时的，会在周期的松弛阶段得到修复。
因此，研究周期性加载的影响，为我们剖析损伤积累和适应性修复过程之间的相互作用提供了有力的框架。实验和理论模型系统为这些研究提供了丰富的平台。进一步深入理解上皮组织中损伤、修复和重塑机制的时间尺度，对于解决有关生物材料稳态和自我修复的问题至关重要。
