心肌细胞双轴长度-张力关系研究揭示肌节Z盘间距与主动力生成的协同调控机制

研究人员通过细胞微双轴拉伸技术(CμBS)探究了新生小鼠心肌细胞在长轴/短轴拉伸下的收缩功能差异，建立了双轴长度-张力关系模型，发现肌节Z盘间距与肌球蛋白头部工作长度的协同作用可解释非对称力学响应，为心脏力学建模提供了新理论基础。

　　

在心脏搏动的精妙机制中，肌节(sarcomere)作为基本收缩单元，其长度-张力关系(length-tension relationship)长期被认为是单向的钟形曲线——这个经典理论源自1954年Gordon等人的骨骼肌研究，假设收缩力仅与肌动蛋白(actin)和肌球蛋白(myosin)的纤维重叠度相关。然而临床观察显示，心肌在病理性的三维重构过程中表现出复杂的力学响应，传统模型难以解释心室壁不同方向上的收缩力差异。这种认知局限使得心脏力学模型的预测准确性受到制约，特别是在心肌病理性重构和人工心脏辅助装置设计等领域。

针对这一科学难题，明尼苏达大学生物医学工程系(Department of Biomedical Engineering, University of Minnesota)的Taylor M. Rothermel团队创新性地将微图案化培养与细胞微双轴拉伸技术(cellular microbiaxial stretching, CμBS)相结合，首次在单细胞水平建立了心肌细胞的双轴长度-张力关系。该研究发表于《Biophysical Journal》，通过精确控制新生小鼠心肌细胞的变形方向，揭示了肌节晶格间距(sarcomere lattice spacing)对肌球蛋白头部(myosin head)工作长度的调控作用，为心脏力学提供了新的理论框架。

研究采用三项关键技术：微接触印刷技术构建取向一致的新生小鼠心室肌细胞培养体系；双轴细胞拉伸装置实现长轴(parallel to long axis)和短轴(parallel to short axis)的独立应变控制；高时空分辨率成像系统同步记录Z盘间距与收缩力。通过建立包含肌丝重叠度和晶格间距变量的数学模型，首次量化了双轴力学响应的差异机制。

【长轴拉伸重现经典曲线】

当沿细胞长轴施加5-15%应变时，收缩力呈现典型的钟形曲线，峰值出现在Z盘间距2.1μm处，与离体肌肉研究一致。但显微分析显示肌丝重叠度的变化仅能解释68%的力值波动。

【短轴拉伸揭示新机制】

在短轴方向拉伸时，虽然力-长度曲线仍呈钟形，但最佳Z盘间距偏移至1.9μm。数学模型表明，横向拉伸通过改变肌球蛋白头部与肌动蛋白结合位点的径向距离，显著影响横桥(cross-bridge)的形成效率。

【双轴耦合模型】

建立的数学模型首次将晶格间距变化导致的肌球蛋白工作长度修正纳入考量，该参数在短轴拉伸时贡献率达42%。当模拟心室壁的双轴应力状态时，新模型比传统单轴模型的预测精度提高31%。

这项研究突破了半个世纪以来对长度-张力关系的单向认知，证实肌节作为三维力学传感器的功能特性。理论模型为解释心肌病理性重构中的力学异常提供了新视角——例如在心肌肥厚时，肌节晶格压缩可能通过改变最佳工作长度加剧收缩功能障碍。在应用层面，该发现对人工心肌补片的多向力学设计、心室辅助装置的优化具有指导价值。研究者特别指出，未来需要结合转基因模型进一步验证晶格间距调控的具体分子路径，这将为靶向肌节三维结构的治疗策略开辟新途径。