力敏感离子通道（Mechanosensitive channels），如Piezo1、TRP通道等，在生物体中普遍表达，是细胞实现机械力信号到生化、生电信号转导的重要媒介。近年来，超声波介导的力敏感离子通道激活引起了广泛关注，在神经调控、肿瘤力学治疗、力学免疫、生殖改善和骨折愈合等领域有着潜在的应用前景。许多实验表明特定频率的高频超声波能有效激活力敏感离子通道，然而力敏感离子通道对特定频率超声波响应的物理机制仍不清楚。相比空化效应，高频超声波（>300 kHz）的机械效应更为显著。此外，细胞膜张力被普遍认为是调节力敏感离子通道门控的关键物理因素，然而特定频率超声波的机械效应如何引起细胞膜张力的变化进而激活力敏感离子通道仍有待阐明。

  针对上述问题，研究人员基于膜大变形理论和单自由度振动理论建立了力敏感离子通道的局域共振力学理论模型，阐明了超声波频率对细胞膜张力的影响规律，并结合通道门控自由能模型，确定了超声波激活力敏感离子通道的有效频率范围，揭示了力敏感离子通道对特定频率超声波的动力学响应机制。研究成果以“Local resonance of mechanosensitive channels”为题发表于国际固体力学旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids。

  首先，研究团队将力敏感离子通道建模为嵌入有限大弹性圆膜中的刚性振子，膜由弹性细胞骨架网络支撑。当系统感受到周期性超声波时，超声力会导致局部膜的变形，通道由于质量产生的惯性会暂留于平衡位置，从而引起其相对于膜的平移位移（如图1所示）。

图1 力敏感离子通道模型简化图

  在简化模型的基础上，给出单自由度平移振动的控制方程：

  系统为经典杜芬系统，幅频方程存在解析解：

式(2)中ω为超声波频率，A_mp为振幅，由此可得频率-振幅关系。

  由膜张力和振幅之间的关系，可得出频率-膜张力方程：

  由此即可得出细胞膜张力-超声波频率曲线（如图2所示）。可见通道附近膜张力随超声波频率改变发生显著变化，为了评估膜张力的变化能否足以激活力敏感离子通道，引入通道门控自由能理论，认为张力引起的自由能变化大于通道开启所需自由能变化，即则认为通道被激活，由此得出超声波激活力敏感离子通道的有效频率范围。

图2 细胞膜张力-超声波频率曲线和有效频率范围

  超声波对力敏感离子通道的有效频率范围会随着通道质量的增加和系统阻尼的增大而减小，会随着超声强度的增大而增大（如图3所示）。这意味着超声波在较宽的频率范围内更有效地激活分子量较低的机械敏感通道。超声波对力敏感离子通道的激活存在一个质量上限，增加超声强度可能会提高这一限制，从而扩大有效频率范围。超声强度的增加将更多的能量引入系统，导致膜和通道之间的相对位移更大，进而导致更高的膜张力，这一结果与物理直觉一致。理论上，无限高的超声强度可以使所有超声频率有效地激活通道。然而，过高的超声强度会带来生物组织热消融的风险，因此需要使用占空比调制来减轻热效应。

  相图显示，研究人员所预测的有效频率范围很好的解释了目前报道的超声波激活力敏感离子通道的实验结果（如图4所示）。说明该理论框架对于广泛的嵌膜力敏感离子通道均适用，模型具有良好的普适性。以Piezo1和MscL通道的具体参数进行的验证相图也显示了理论和实验结果非常好的一致性（如图5所示）。

图3 系统质量、阻尼和超声波强度对有效频率范围的影响

图4 有效频率范围随超声波频率和强度的变化相图

图5本文理论预测与文献中超声波激活Piezo1和MscL通道实验结果的对比验证

  综上所述，本研究给出了超声波频率引起膜张力变化的定量关系，可用于预测超声波对任一嵌膜通道激活的有效频率范围，为理解特定频率的超声波对力敏感离子通道的激活提供了普适的理论框架，揭示了力敏感离子通道对特定频率超声波的动力学响应机制，为优化基于超声波神经调控和靶向力学治疗策略提供了理论基础。

  论文第一作者为南京航空航天大学2025届硕士研究生齐兵，刘少宝副研究员为通讯作者，共同通讯作者为卢天健教授，其他共同作者包括南京航空航天大学硕士生林姝娟、郭曜华、本科生丰玲琳、天津大学副教授刘洋和英国皇家学会院士，牛津大学教授Alain Goriely。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2025.106249