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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DNA 141

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Kinapse 215

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