论文摘要
细胞的微环境中存在着许多力学刺激。由于缺少坚硬的细胞壁来抵抗变形,在力学刺激的作用下,动物细胞的体积会发生很大的变化。而细胞体积的变化能进一步影响细胞的力学性质、细胞粘附、细胞迁移、细胞增殖和干细胞分化等生理过程。因此,为了能够稳定地执行自身的生理功能,细胞需要主动地调节体积大小来稳定自身的内部结构和力学性质。但是,目前为止很多研究都忽略了细胞体积变化的影响。因此,研究细胞体积调节的力学机制以及细胞体积调控如何影响细胞的生理过程,能更好地了解细胞体积与细胞生理功能之间的调控机制。体内和体外的细胞基本都处于粘附状态,因此细胞与细胞外基质间的粘附也对细胞的很多生理过程有着重要的影响。与外界基底的粘附可使得细胞能够感知周围环境的力学信号,并将力学信号传入细胞内部进而将力学信号传化为化学信号。在力学信号感知和传递的过程中,细胞的力学性质起着十分重要的作用,因为细胞的力学性质可以决定细胞在力学刺激下的响应幅度和形式。迄今为此,细胞体积、细胞粘附和细胞力学性质之间有着怎样的力学关联和耦合机制还不清楚。基于这个问题,本文研究细胞体积调控细胞粘附、脱粘和力学性质的力学机制。本文首先研究细胞体积的变化如何调控对称地粘附在两平行板间细胞的形貌和动力学响应。依赖于粘附细胞的大小、两板间的间隔、细胞与板间的粘附能密度和可变形板的硬度,细胞可以形成稳定的（内凹或者外凸）或者不稳定的（细胞自发破裂或者崩塌）粘附形貌,并且不稳定的粘附形貌是由体积变化直接引起的。此外作为一个体积可变的开放系统,细胞的力学响应还与加载历史和加载速率有关。再接着,本文研究细胞粘附到单个基底表面时,基底的力学和物理性质如何调控细胞的体积大小。在动态粘附过程中细胞体积会显著减小,而且稳定粘附后细胞的体积随着基底硬度、可粘附面积和粘附能密度的增大,细胞体积可以减小50%以上。细胞粘附导致细胞体积收缩的原因是细胞粘附会导致肌动蛋白皮层张力增大进而压缩细胞将水和离子挤出细胞外。随后,通过研究非特异性粘附和特异性粘附细胞的脱粘过程,本文系统地比较了细胞体积调控和受体-配体键的动力学特性对细胞脱粘速率相关性的贡献比例。由体积调控和受体-配体键的动力学特性分别引起的速率相关性是相反的,并且这两者分别在不同的时间尺度下控制着细胞脱粘的速率相关性。外凸细胞的脱粘速率相关性主要来源于细胞体积的调控,而内凹细胞的速率相关性主要来源于受体-配体键的动力学特性。最后,本文还通过实验和理论结合研究双板压缩时细胞体积变化使得细胞表现出的力学性质。研究发现在高频和低频周期性压缩下,体积的变化使得细胞表现为弹性体,而在中间频率的周期性压缩下,体积变化使得细胞表现为粘弹性体。并且理论预测了细胞体积调控引起的粘性对于细胞整体粘性的贡献远远大于肌动蛋白皮层性粘性的贡献。本文首次揭示了细胞体积的主动调节可以导致细胞出现不稳定的粘附形貌,阐明了细胞粘附导致细胞压缩进而使得细胞体积减小的力学机理,还发现了细胞脱粘速率相关性和细胞粘弹性的新来源机制-体积调节。因此,本文的研究阐明了细胞体积变化调控细胞粘附、脱粘和力学性质的力学机制。此外,本文的结果也预示着细胞体积调控有可能在其他生理过程中起到重要的调节作用。
论文目录
摘要ABSTRACT第一章 绪论 1.1 体积变化对细胞生理功能的影响 1.2 细胞体积调节的力学机制 1.2.1 水的跨膜输运 1.2.2 离子的跨膜输运 1.2.3 细胞骨架的影响 1.3 基底力学性质对细胞功能的调控作用 1.3.1 基底硬度的调控作用 1.3.2 三维网架基底硬度的调控作用 1.3.3 基底表面形貌的调控作用 1.4 细胞的力学性质 1.4.1 研究细胞力学性质的实验方法 1.4.2 细胞表现出的粘弹性 1.5 本文关注的科学问题 1.5.1 细胞体积调控与细胞粘附 1.5.2 细胞体积调控与细胞的脱粘 1.5.3 细胞体积调控与细胞的粘弹性 1.6 本文的主要工作第二章 粘附细胞的形貌和动力学:开放系统的力学响应 2.1 序言 2.2 模型 2.2.1 细胞形状,有效面积和体积 2.2.2 细胞体积和静水压的调控机制 2.2.3 肌动蛋白皮层和细胞膜的本构方程 2.2.4 细胞与两平行板之间的粘附 2.2.5 求解细胞形貌的数值方法 2.3 结果 2.3.1 体积变化导致了细胞粘附的不稳定性 2.3.2 粘附细胞自发破裂的临界条件 2.3.3 粘附细胞的动态脱粘 2.3.4 细胞的卸载响应与加载历史相关 2.3.5 理论与实验结果的定量比较 2.4 本构模型对粘附形貌相图的影响 2.4.1 细胞膜“蓄水池”模型参数的影响 2.4.2 细胞膜的粘弹性模型 2.4.3 肌动蛋白皮层和细胞膜粘性的影响 2.5 总结第三章 通过基底力学性质调控粘附细胞的体积大小 3.1 序言 3.2 理论模型 3.2.1 细胞体积和压力的调节机制 3.2.2 细胞形状、有效表面积和细胞体积的表达式 3.2.3 细胞膜和肌动蛋白皮层的本构方程 3.2.4 细胞感知基底硬度的力学机制 3.3 实验方法 3.3.1 细胞培养 3.3.2 调节基底的力学性质 3.3.3 细胞体积的测量方法 3.3.4 药物抑制和渗透压冲击实验 3.4 结果 3.4.1 细胞在2D基底上动态粘附时体积显著减小 3.4.2 细胞体积在硬基底上减小50%以上 3.4.3 可粘附面积的增大导致细胞收缩 3.4.4 细胞体积随着基底粘附能密度的增大而减小 3.4.5 肌动蛋白皮层张力的增大将水挤出细胞外 3.4.6 细胞体积随铺展面积指数下降 3.5 总结与讨论第四章 体积调控对细胞临界脱粘力速率相关性的贡献 4.1 序言 4.2 理论模型 4.2.1 不对称粘附细胞的几何形状 4.2.2 细胞体积和压力的调控机制 4.2.3 细胞的粘附 4.3 细胞体积调控对细胞脱粘动力学行为的影响 4.3.1 细胞体积调控引起速率相关的细胞脱粘 4.3.2 细胞体积调控引起的临界脱粘力的速率相关性 4.3.3 力加载和位移加载下细胞脱粘的差别 4.3.4 临界脱粘力随着粘附能密度的增大而增大 4.4 受体-配体键的动态开合特性对细胞脱粘的影响 4.4.1 受体-配体键动态结合-断开的机制 4.4.2 受体-配体键的动力学对细胞拉力加载和卸载曲线的影响 4.4.3 受体-配体键的动力学能引起速率相关的细胞脱粘行为 4.4.4 受体-配体键的动力学特性引起的临界脱粘力的速率相关性 4.5 体积调控和受体-配体键的动力学特性在不同的时间尺度下控制细胞脱粘的速率相关性 4.6 肌动蛋白皮层和细胞膜的粘性在大拉伸速率下显著地影响细胞的临界脱粘力 4.7 细胞的临界脱粘力随着基底硬度的增大而增大 4.7.1 细胞的硬度感知机制 4.7.2 细胞的粘附强度随着基底硬度增大 4.7.3 细胞的临界脱粘力随着基底硬度增大 4.8 总结第五章 细胞粘弹性的新来源机制:体积调控 5.1 序言 5.2 结果 5.2.1 恒定位移压缩下细胞压力的松弛 5.2.2 恒定压力压缩下细胞高度的蠕变 5.2.3 体积变化是细胞松弛和蠕变的主要来源 5.2.4 周期性加载下细胞的粘弹性响应 5.3 周期性加载的实验验证 5.3.1 玻璃板的制备与处理 5.3.2 软玻璃板硬度的标定 5.3.3 细胞培养和准备 5.3.4 显微操作 5.3.5 实验结果与理论结果的对比 5.4 总结第六章 总结与展望 6.1 工作总结 6.2 主要创新点 6.3 研究展望参考文献致谢在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
文章来源
类型: 博士论文
作者: 杨月华
导师: 姜洪源
关键词: 细胞体积调控,水和离子的输运,细胞粘附,细胞脱粘,速率相关性,双板加载,细胞粘弹性
来源: 中国科学技术大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 生物学
单位: 中国科学技术大学
分类号: Q27
总页数: 150
文件大小: 17606K
下载量: 137
相关论文文献
标签：细胞体积调控论文; 水和离子的输运论文; 细胞粘附论文; 细胞脱粘论文; 速率相关性论文; 双板加载论文; 细胞粘弹性论文;
