综述：创伤性脑损伤的细胞机制

这篇综述深入探讨了机械负荷（strain magnitude/rate）如何通过破坏质膜（plasma membrane）、微管（microtubules）和肌动蛋白骨架（actin cytoskeleton）等亚细胞结构导致创伤性脑损伤（TBI），尤其聚焦于应变速率>0.1 s-1 的病理阈值。作者整合工程学与生命科学视角，为理解神经元损伤机制和开发神经保护策略提供了新思路。

　　

生理与病理条件下的细胞和组织变形

细胞和组织通过内部生成和外部机械力改变形状。成年结缔组织（如肌腱、皮肤）在日常活动中承受机械力，而胚胎上皮层在器官形成过程中被内部力拉伸。细胞通过机械转导（mechanotransduction）感知并响应机械刺激，其反应取决于细胞类型和负荷条件，影响增殖、存活和基因表达。机械负荷缺失会导致组织退化（如肌肉萎缩、骨密度降低）。

定量表征细胞和组织形状变化的指标

变形模式分为张力、压缩和剪切。应变（strain）是描述变形量的二阶张量，常用工程应变（ε）和格林应变（ε_G
）表示。脑组织因白质束等结构呈现各向异性，但整体可视为力学各向同性。应变速率（ε?）和频率（Hz）进一步描述动态负荷特性。例如，呼吸时肺应变幅度为0.04-0.12，频率0.2-1 Hz；心脏瓣膜应变高达1.47。

从生理负荷到病理负荷的转变

当应变幅度和速率超过阈值时，软组织会发生病理损伤。数据显示，生理负荷通常对应变速率<0.01 s^-1
，而病理负荷多出现在>0.1 s^-1
。例如，脑组织在冲击性TBI中承受0.2-0.5应变和10-50 s^-1
速率，爆炸性TBI中应变≤0.1但速率高达960 s^-1
。

质膜的动态响应与损伤

质膜通过膜内陷（如小窝caveolae）和脂质扩散缓冲应变，但高应变速率（~10 s^-1
）会导致膜穿孔（mechanoporation）和钙内流。轴突损伤（DAI）表现为肿胀和球状结构，微管瓦解成波浪状，淀粉样前体蛋白（APP）异常积累。

微管与轴突的力学稳定性

微管（microtubules）由微管相关蛋白（MAPs）如tau稳定，其动态不稳定性（1-10分钟周转）在应变速率>10 s^-1
时易断裂。tau蛋白的粘弹性使其在低速率下允许微管滑动，高速率下则传递负荷导致损伤。

肌动蛋白骨架的缓冲作用

肌动蛋白（actin）在神经元中形成周期性spectrin骨架（间距180-190 nm），可逆解旋以缓冲应变。疾病相关突变（如cofilin）会形成持久性杆状结构，与阿尔茨海默病相关。

结论与展望

TBI的细胞损伤机制复杂，涉及质膜、微管和肌动蛋白的协同失效。未来研究应聚焦膜-骨架连接蛋白的动态调控，为神经保护策略提供新靶点。