细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞器，细胞周期中基因翻译、转录及蛋白表达均在细胞核内完成。细胞核及周围物质（细胞质、细胞骨架、细胞外基质等）组成系统的动力学特性（如固有频率）能够精确反映该系统的动力学参数（细胞核质量、细胞质模量、细胞骨架微丝刚度及收缩力等）信息。利用这一原理，可以通过识别细胞核系统的动力学特性进而精准识别周期活动异常的细胞，并进行干预。
癌症治疗面临着巨大的挑战，“杀敌一千、自损八百”，毫不夸张。2015年，美国总统奥巴马提出“精准医学计划”，迅速成为全球范围内的热门话题。在这一概念的驱动下，“精准医疗”为癌症患者带来新的曙光。然而，无论我们所熟知的一些癌症疗法比如化疗、放疗、手术治疗等，还是最近兴起的癌症免疫疗法等，均无法实现真正意义上的精准治疗。利用癌细胞与健康细胞频谱带隙，选择性使癌细胞核产生局域共振杀死/抑制癌细胞，而健康细胞几乎不受影响。这一方法将为癌症精准治疗提供了崭新的思路。
从细观力学角度，生物组织是由细胞构成的周期多孔材料，细胞核是真核细胞中最硬和最致密的细胞器，可作为局域共振的振子。实验室研究人员与西安交通大学仿生工程与生物力学研究所（BEBC）研究者合作，建立了细胞核扭转振动和平移振动的动力学模型（图1）。该模型预测，在基准生理参数下，扭转振动的固有频率~0.112 MHz，而平移振动的固有频率~0.061 MHz。还发现扭转振动的固有频率主要受细胞骨架的收缩力调控，而平移振动的固有频率主要受细胞骨架刚度调控。对不同物种不同类型细胞的细胞核振动特性进一步分析（图2）表明，对于大多数真核细胞来说，扭转振动对应的是高阶振动而平移振动是低阶振动,即扭转振动主导高频而平移振动主导低频。但是，对于某些细胞（如软骨细胞、肝细胞）情况相反，即平移振动对应的是高阶振动而扭转振动是低阶振动。还发现，当细胞发生病变（如肝纤维化、肝癌）时，平移振动和扭转振动可能发生模态交换，推测这是一种潜在的细胞力学信号转导机制。本研究为探索基于频率的力信号转导/力学疗法/力基因组学的可能性提供了新的分析框架。
图1. 细胞核振动力学模型.（a）真核细胞结构简化模型；（b）细胞核振动的前两阶模态，即扭转振动与平移振动；（c）细胞骨架微丝力学模型；（d）细胞核二自由度弹簧振子模型
图2. 不同物质、不同类型细胞的细胞核扭转振动与平移振动的固有频率对比分析. 对于大多数真核细胞，扭转振动对应的是高阶振动而平移振动是低阶振动,即扭转振动主导高频而平移振动主导低频（ftors> ftran
近日，该成果以“Torsional and Translational Vibrations of a Eukaryotic Nucleus, and the Prospect of Vibrational Mechanotransduction and Therapy”为题的论文发表在国际固体力学领域旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上上。该论文是由南京航空航天大学刘少宝副研究员（第一作者）和BEBC本科生杨海谦（共同一作）在徐峰教授和卢天健教授（均为通讯作者）的共同指导下完成，论文的其他作者包括：BEBC博士生王明、田金、洪源，李源博士，美国圣路易斯华盛顿大学Guy M. Genin教授。该工作得到了国家自然科学基金等的支持。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509621002210
