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1绪论&龙勉1

1.1细胞分子力学发展概况2

1.1.1国际细胞分子力学发展简况2

1.1.2国内细胞分子力学发展概况4

1.2细胞力学与研究方法5

1.2.1单细胞力学性质5

1.2.2细胞与细胞、细胞与基底间相互作用6

1.2.3力学环境对细胞生物学功能的影响6

1.2.4亚细胞组元的动力学过程8

1.3分子力学与研究方法8

1.3.1单分子或单个复合物力学行为9

1.3.2分子间反应动力学9

1.3.3分子间相互作用的结构基础9

1.4分子与细胞的力学-化学-生物学耦合10

1.4.1细胞力学-生物学耦合11

1.4.2力学-生物学耦合研究方法12

1.4.3分子的力学-化学耦合12

1.4.4力学-化学耦合研究方法12

1.5力学组学13

1.5.1力学生物学与转录组学和蛋白组学14

1.5.2力学组学的进展与未来趋势19

1.6总结21

参考文献21

2细胞、亚细胞、生物大分子&李宁 龙勉25

2.1细胞25

2.1.1原核细胞与真核细胞26

2.1.2细胞多样性27

2.1.3病毒28

2.2亚细胞29

2.2.1细胞质膜29

2.2.2内膜系统31

2.2.3细胞核32

2.2.4细胞骨架35

2.2.5线粒体36

2.2.6叶绿体37

2.2.7核糖体39

2.3生物大分子39

2.3.1核酸40

2.3.2蛋白质45

2.3.3多糖和脂类46

参考文献48

3分子力学理论基础&林蒋国 方颖51

3.1细胞黏附的理论研究51

3.1.1分子反应动力学51

3.1.2分子键的力学-化学耦合52

3.1.3黏附动力学54

3.2二维反应动力学参数测量的理论基础62

3.2.1小系统概率动力学模型63

3.2.2负反应速率的测量63

3.2.3正反应速率的测量67

3.3分子物理特性测量的理论基础71

3.3.1分子长度的测量及其理论基础72

3.3.2分子弹性的测量及其理论基础73

3.3.3分子弯曲刚度的测量及其理论基础75

3.4总结78

参考文献79

4分子反应动力学及其力学调控&龙勉83

4.1二维受体-配体结合与解离的反应动力学83

4.1.1受体-配体键介导的细胞聚集与黏附的理论模拟84

4.1.2受体-配体相互作用的反应动力学86

4.2力致受体-配体键的解离91

4.2.1选择素-配体键91

4.2.2整合素-配体键92

4.3二维反应动力学的拓展与应用94

4.3.1拓展商业化分子反应动力学测量的方法与技术94

4.3.2提升抗体药物候选物的有效筛选96

4.3.3实现细胞表面分子的微流控检测97

参考文献98

5蛋白质力学-化学耦合&娄继忠101

5.1受体-配体相互作用的力学调控101

5.2选择素与配体相互作用的力学-化学耦合102

5.2.1选择素的生物功能102

5.2.2选择素和它们的配体103

5.2.3选择素与配体相互作用的结构和功能特性104

5.2.4机械力对选择素与配体解离的调控作用105

5.3 GPlb α与配体相互作用的力学-化学耦合107

5.3.1血小板与内皮下层的相互作用107

5.3.2血液流动促进GPIbα与vWF-A1的结合109

5.3.3血液流动抑制GPIbα与vWF-A1的解离110

5.4整合素与配体相互作用的力学-化学耦合112

5.4.1整合素介导了细胞间及细胞与胞外基质的相互作用112

5.4.2整合素与配体相互作用的力学特性114

5.5踝蛋白激活过程中的力学-化学耦合116

5.5.1踝蛋白的功能及结构特征116

5.5.2踝蛋白自抑制状态的力学调控117

5.6细胞微丝骨架结聚过程的力学-化学耦合118

5.6.1微丝与细胞骨架118

5.6.2机械力导致微丝强度增加119

5.7总结121

参考文献121

6 DNA和RNA力学&肖波涛125

6.1双螺旋结构——半柔性的聚合物126

6.1.1结构126

6.1.2 DNA弯曲127

6.1.3 DNA的拉伸130

6.2链的分离133

6.2.1链分离的自由能模型133

6.2.2拉伸单链核酸136

6.2.3拉开双螺旋结构137

6.3 DNA的拓扑结构139

6.3.1 DNA超螺旋139

6.3.2在拉力下扭转DNA141

6.3.3力和转矩可以驱动双螺旋结构的大结构重组142

6.3.4 DNA打结142

6.4 RNA力学144

6.4.1 RNA折叠：构象统计与折叠动力学144

6.4.2单分子力谱方法的进展148

6.4.3复杂系统：RNA及细胞过程中折叠的相互作用148

6.5总结151

参考文献152

7分子动力学模拟与应用&吕守芹155

7.1分子动力学模拟基本原理156

7.2分子动力学模拟基本流程158

7.2.1模拟系统构建158

7.2.2模拟参数选取159

7.2.3分子动力学模拟161

7.2.4模拟结果分析163

7.3分子动力学模拟发展与应用164

7.3.1调控分子动力学（SMD）165

7.3.2靶标分子动力学（TMD）166

7.3.3量子-分子耦合动力学模拟167

7.3.4粗粒化分子动力学模拟（CG-MD）167

7.3.5加速分子动力学模拟（AMD）168

7.4分子动力学模拟的典型应用170

7.4.1细胞黏附分子选择素、整合素的分子动力学模拟170

7.4.2水、离子通道蛋白的分子动力学模拟175

参考文献179

8分子力学实验技术&章燕183

8.1分子力学探针184

8.1.1原子力显微技术184

8.1.2光镊操控技术187

8.1.3微管吸吮技术192

8.1.4平行平板流动腔技术196

8.1.5磁镊技术199

8.2分子力荧光探针201

8.2.1高分辨率荧光显微观测技术202

8.2.2荧光蛋白及荧光共振能量转移技术203

8.2.3分子力荧光探针205

8.3力谱-荧光谱耦合技术206

参考文献208

9分子生物力学与免疫反应&安宸毅 陈伟211

9.1 T细胞的运动211

9.1.1 T细胞的生命周期概述211

9.1.2 T细胞在血液循环中的转运212

9.1.3 T细胞的迁移214

9.1.4免疫突触和Kinapse215

9.2 T细胞的力学感知216

9.3 TCR的动力学调控216

9.3.1 TCR抗原识别的分子力调控217

9.3.2机械力触发TCR的激活218

9.4 T细胞整合素的力学调控220

9.4.1整合素的结构与功能220

9.4.2整合素的逆锁键222

9.4.3力引起的整合素构象变化223

9.5 T细胞肌动蛋白骨架动力学的机械力调控225

9.6总结228

参考文献228

10细胞膜特性及胞吞&李龙 王九令 施兴华 宋凡231

10.1细胞膜的基本特性231

10.1.1细胞膜的结构231

10.1.2细胞质膜的基本物理性质232

10.1.3细胞的跨膜输运233

10.2细胞膜的波动力234

10.2.1细胞膜间的相互作用力234

10.2.2波动力240

10.2.3波动力的理论研究243

10.3细胞膜与颗粒间的相互作用251

10.3.1细胞摄取一维纳米材料251

10.3.2细胞摄取二维纳米材料253

10.3.3细胞摄取多个纳米颗粒254

10.3.4细胞摄取不同刚度纳米颗粒255

参考文献257

11细胞骨架力学&董臣令 陈彬263

11.1构成细胞骨架的纤维及常见细胞骨架结构263

11.1.1细胞骨架纤维263

11.1.2亚细胞结构266

11.2细胞骨架纤维组装与解聚271

11.2.1组装速率和解聚速率271

11.2.2肌动蛋白丝的动力学行为272

11.2.3微管的动力学行为274

11.3细胞骨架纤维力学276

11.4由细胞骨架纤维形成的复杂结构的力学278

11.4.1细胞骨架纤维的交联结构278

11.4.2应力纤维280

11.4.3纤毛281

11.4.4骨骼肌纤维282

11.5分子马达283

11.5.1肌球蛋白284

11.5.2驱动蛋白285

11.5.3动力蛋白286

11.6总结287

参考文献287

12钙火花的生物力学&陈熹 谭文长291

12.1钙火花的生理机理291

12.1.1钙火花定义291

12.1.2钙火花的时空动力学特征292

12.2钙火花的实验研究293

12.3钙火花的力学模型与数值模拟294

12.3.1钙火花的反常扩散模型295

12.3.2钙火花的数值模拟295

12.3.3钙火花的生理参数敏感性分析296

12.4钙波的生物力学研究300

12.4.1随机钙波的生物力学模型300

12.4.2局部钙波的性质301

12.4.3钙波相撞的多样性303

12.5总结306

参考文献308

13细胞黏附的力学机理与理论建模&季葆华 和世杰 李德昌311

13.1细胞-基底间和细胞间黏附概述311

13.2分子尺度的细胞力敏感机理313

13.3亚细胞尺度的细胞力敏感机理318

13.3.1黏附斑的力敏感理论318

13.3.2应力纤维的力敏感理论325

13.4细胞尺度的细胞力敏感机理330

13.4.1细胞-基底间作用模型330

13.4.2周期性载荷作用下细胞转向的力敏感理论336

13.4.3多细胞极化和排列的力敏感理论340

13.5总结346

参考文献347

14细胞迁移的力学理论与建模&姜洪源353

14.1细胞迁移概述353

14.2细胞在受限空间内的迁移机制：渗透压引擎模型358

14.2.1基本思想358

14.2.2水分子的动力学行为360

14.2.3离子的动力学行为360

14.2.4细胞质的流动362

14.2.5力学平衡与细胞皮层的本构关系363

14.2.6离子在细胞内的扩散364

14.2.7细胞的迁移速度365

14.3细胞在受限空间内的迁移机制：理论预测与实验验证366

14.3.1水通道和离子通道的重要作用367

14.3.2在受限空间内迁移需要细胞的极化368

14.3.3渗透压冲击可以改变细胞迁移方向369

14.3.4细胞体积变化370

14.3.5细胞迁移速度与细胞体积的关系371

14.3.6细胞迁移速度与微通道几何形状的关系371

14.3.7其他机制的可能性373

14.4总结373

参考文献375

15细胞力学实验技术&熊春阳 黄建永 林峰 滕瑶379

15.1主动（操纵）技术379

15.1.1机械牵张380

15.1.2流动剪切381

15.1.3微管吸吮382

15.1.4原子力显微镜383

15.1.5光学技术387

15.1.6磁力388

15.1.7微流控389

15.2被动方法393

15.2.1弹性基质393

15.2.2微柱阵列394

15.2.3微液滴395

15.3牵引力显微镜395

15.3.1牵引力显微镜实验396

15.3.2牵引力显微镜数据处理397

15.3.3牵引力显微镜应用406

15.3.4牵引力显微镜新进展407

15.4总结408

参考文献409

16细胞的弹性感知力学信号转导通路&杨春413

16.1细胞的命运受到细胞外基质的力学刺激调控413

16.1.1细胞外基质刚度对干细胞的影响413

16.1.2细胞外基质刚度对分化终末细胞的影响414

16.1.3细胞外基质刚度对肿瘤细胞的影响414

16.2力学刺激通过力传感（导）器和效应器影响细胞415

16.3整合素参与了细胞对胞外基质弹性的感知416

16.4较软的ECM能够促进整合素内吞417

16.4.1β1整合素的结构与活化β1整合素的检测418

16.4.2生物素示踪试验方法419

16.5小窝蛋白可介导较软ECM诱发的整合素内吞419

16.6 ECM弹性影响了α2β1整合素与配体复合物的寿命422

16.7整合素内吞影响BMP-SMAD信号通路的改变427

16.8细胞通过整合素上的加载速率感知ECM弹性428

16.9细胞膜上的整合素启动β-链蛋白/Wnt正反馈调节环429

16.10总结431

参考文献432

17力学微环境与干细胞干性和分化&吕东媛437

17.1干细胞生长的力学微环境437

17.1.1力及力学信号在发育中的作用437

17.1.2干细胞存在于力学环境中439

17.1.3干细胞生长的力学微环境440

17.2力学微环境对干细胞命运的影响441

17.2.1干细胞生长的力学微环境对其分化的影响442

17.2.2干细胞生长的力学微环境对其干性的影响451

17.3力学微环境与干细胞的肝向诱导分化452

17.3.1 ESC肝向分化意义及进展452

17.3.2 ESC肝向分化的方法及存在的问题453

17.3.3基底硬度影响肝细胞的生长455

17.3.4基底微拓扑结构对肝细胞生长的影响456

17.3.5基底硬度耦合拓扑结构影响ESC肝向分化457

参考文献459

18气道平滑肌细胞生物力学行为及其生理病理意义&邓林红463

18.1呼吸过程中各级肺组织所处的力学环境464

18.2气道平滑肌细胞的收缩结构465

18.3气道平滑肌细胞的长度适应性466

18.4应力与应变对气道平滑肌细胞骨架的影响468

18.5气道平滑肌细胞骨架的软玻态动力学行为470

18.6气道平滑肌细胞受一次短暂拉伸后发生流态化行为472

18.7气道平滑肌细胞生物力学行为受内外环境的影响474

18.8总结476

参考文献477

19肿瘤细胞力学与信号转导&刘贻尧 李顺481

19.1肿瘤细胞的生物学特性及其信号通路调控481

19.1.1肿瘤细胞的生物学特性482

19.1.2 Notch信号转导与肿瘤转移483

19.1.3趋化因子MCP-1信号转导与肿瘤转移486

19.2肿瘤微环境在肿瘤侵袭转移过程中的影响机制488

19.2.1低氧微环境调控EMT诱导肿瘤转移488

19.2.2酸性微环境调控肿瘤细胞迁移的分子机制490

19.2.3肿瘤微环境中的炎性与肿瘤转移492

19.3肿瘤细胞力学主要研究方法494

19.4肿瘤生物力学与力学生物学495

19.4.1整合素α、β3和GP Ⅱb/Ⅲa在切应力调控肿瘤细胞血源性转移中作用496

19.4.2小窝蛋白-1/小窝在低切应力诱导乳腺癌细胞转移过程的力学调控机制499

19.4.3肿瘤细胞血源性转移中抗失巢凋亡的生物力学调控503

19.4.4胞外基质官能团对乳腺癌增殖与凋亡的影响506

19.4.5基质刚度与细胞几何形态对肿瘤细胞EMT发生和迁移的影响509

19.4.6肿瘤干细胞的生物力学研究510

19.4.7肿瘤组织的血管新生与传质的生物力学机制511

19.5总结512

参考文献513

20骨组织细胞力学与信号转导&霍波 赵杨 李晓婷517

20.1骨组织内细胞的基本性质517

20.1.1细胞的组成517

20.1.2骨内细胞的力学微环境518

20.2成骨细胞的力致钙响应机制521

20.2.1成骨细胞力致钙响应的机制521

20.2.2成骨细胞间钙传递路径523

20.2.3有物理连接的力致钙响应和传递524

20.2.4无物理连接的力致钙响应和传递526

20.2.5成骨细胞力致钙响应机制的研究意义530

20.3骨细胞的力学信号转导研究531

20.3.1流体剪切力影响骨细胞的存活情况532

20.3.2生理水平流体剪切力通过增加Cx43的表达来调控信号分子533

20.3.3沉默Cx43影响流体剪切力调控的信号通路533

20.3.4化学阻断间隙连接影响流体剪切力调控的信号通路536

20.3.5超生理水平流体剪切力通过抑制Cx43调控信号通路537

20.3.6骨细胞力学信号转导的研究进展537

参考文献540

21血管细胞力学与信号转导&周菁 姚伟娟545

21.1血流动力学与血管结构和功能545

21.1.1动脉管壁结构545

21.1.2血管内皮细胞和平滑肌细胞的功能547

21.1.3血流动力学因素与动脉粥样硬化549

21.2血流剪切力在血管内皮细胞中的信号转导550

21.2.1体内与体外研究模型550

21.2.2内皮细胞对力信号的感知、传递和转导553

21.2.3剪切力诱导的内皮细胞基因表达和功能改变555

21.3血管平滑肌细胞的力学信号转导和表型调控558

21.3.1机械牵张力对平滑肌细胞基因表达和表型的影响558

21.3.2介导力信号对平滑肌表型调控的信号通路559

21.3.3机械力调节内皮细胞与平滑肌细胞的串话561

21.4总结563

参考文献564

22免疫细胞的流变学&曾柱 邱炜 胡祖权 贾义567

22.1 DCs的流变学研究567

22.1.1不同分化阶段DCs的流变学特性568

22.1.2肿瘤微环境来源因素对DCs流变学特性的影响575

22.1.3无蹼壁虎提取物对肿瘤微环境条件下DCs流变学特性的影响589

22.2淋巴细胞的流变学592

22.2.1淋巴细胞的流变学特性593

22.2.2病理条件下的淋巴细胞流变学特性594

22.2.3淋巴细胞流变学的临床意义595

22.3粒细胞的流变学595

22.3.1生理条件下粒细胞的流变学特性596

22.3.2病理条件下粒细胞的流变学特性597

22.3.3粒细胞流变学的临床意义598

参考文献599

23基于流体动力学的细胞高通量操控&刘超 胡国庆603

23.1颗粒的微流动操控604

23.2基于免疫吸附的细胞分离604

23.3外加物理场的颗粒操控605

23.3.1磁场606

23.3.2电场606

23.3.3声场608

23.3.4光场609

23.4传统流体动力学操控609

23.5颗粒的惯性操控611

23.5.1牛顿流体中的惯性效应611

23.5.2颗粒的惯性微流动操控612

23.5.3惯性迁移的机理研究618

23.6颗粒的黏弹性操控623

23.6.1黏弹性流体性质与颗粒迁移623

23.6.2颗粒的黏弹性微流动操控623

23.7总结627

参考文献628

24基于微纳芯片技术的细胞力学微环境调控及其应用&李昱辉 黄国友 徐峰637

24.1细胞力学微环境概述638

24.1.1刚度640

24.1.2黏弹性641

24.1.3拉压应力641

24.1.4流体剪切应力642

24.2基于微纳芯片构建细胞力学微环境642

24.2.1基质刚度模拟642

24.2.2拉压应力模拟645

24.2.3流体剪切应力模拟647

24.3微纳芯片在组织再生领域的潜在应用647

24.3.1血管芯片647

24.3.2肾脏芯片650

24.4总结651

参考文献652

25微重力细胞力学与工程&孙树津 龙勉657

25.1重力影响因素分析658

25.2细胞（微）重力感受机制的理论分析658

25.2.1对细胞作用力权重的分析658

25.2.2细胞间接感受重力的可能机理659

25.3微重力细胞力学与工程的实验技术660

25.3.1空间细胞培养的基本概念和技术要求660

25.3.2现有空间细胞培养实验装置特点及问题662

25.3.3地面微重力效应模拟实验技术666

25.4微重力细胞生物力学与工程的理论模型研究668

25.5微重力影响（动物）细胞生物学功能的研究进展673

25.5.1（微）重力导致细胞增殖、分化与凋亡发生改变673

25.5.2（微）重力导致免疫细胞功能异常674

25.5.3（微）重力导致骨细胞功能改变674

25.5.4（微）重力下细胞力学-生物学耦合及其调控675

参考文献679

索引683