基底力学性质对细胞体积调控和定向迁移的作用机制研究

论文摘要

细胞外微环境包含多种物理化学参数因子,例如表面拓扑结构、表面化学官能团、基质弹性模量、表面粘附能等等。这些参数因子对细胞生理活动和细胞功能有重要影响。在细胞生物学研究中,研究者开发出多种人工细胞外基质来模拟细胞在体内的生长环境,例如通过调控基质刚度和基质网络锚定点密度来研究微环境中单一参数对细胞功能和行为的影响,从而达到降低实验成本和简化实验设计的目的。细胞体积作为一个重要的细胞参数,近些年来越来越受研究者们重视。大量研究发现,细胞体积调控在细胞有丝分裂、组织发育、基因表达等生理过程中起重要作用。本文主要利用实验的方法,结合数值模拟,研究具有不同力学参数的细胞基底对细胞体积调控和定向迁移的作用机制。这些研究为生物工程和生物物理等方面的研究提供了理论基础和实验依据。本文主要研究内容如下:1.研究基底弹性模量、可铺展面积和有效粘附能密度对细胞体积的调控机制。经实验发现,当增加基底弹性模量、细胞可粘附面积和基底有效粘附能密度后,细胞的体积会显著下降,甚至在某些参数下其最高降幅达到了50%。在细胞动态贴壁粘附的过程中,伴随着细胞铺展面积的增加,细胞体积也会显著下降。通过分析抑制离子的输运实验和渗透压冲击实验的数据结果,发现细胞体积下降的主要原因是水和离子从细胞中流出。同时,在抑制细胞骨架蛋白的实验中,发现肌动蛋白皮层收缩力减小会造成细胞体积增大。结合以上实验结果,提出了“由粘附导致的细胞压缩机制”:细胞与基底之间的相互作用力增强导致了肌动蛋白皮层收缩力增加,进而挤出细胞中的水和离子,使细胞体积减小。2.研究细胞在刚度梯度凝胶基底上趋硬迁移行为的机制。经实验发现,在弹性模量梯度为40kPa/mm,弹性模量范围为8 kPa～80 kPa的具有刚度梯度性质的PAAm凝胶基底上,3T3细胞展现出明显的趋硬迁移行为。同时,在有刚度梯度的凝胶基底上,细胞迁移速度比培养在40kPa均匀PAAm凝胶基底上的细胞迁移速度快。离子泵和细胞骨架抑制实验表明,扰乱Na+、K+、Ca2+的输运和细胞肌动蛋白皮层收缩会使细胞迁移速度和趋硬性下降。通过原子力显微镜测量细胞两端伪足中的皮层张力,发现细胞会向皮质张力大的一端迁移,前后伪足皮质张力的比值越大,细胞迁移速度越快,同时基底越硬的一端伪足中皮质张力越大。结合前人的研究,提出细胞趋硬迁移行为是基底牵引力极性分布和细胞前后局部体积调节造成的局部皮层张力差异共同作用下的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 细胞外的微环境
•     1.1.1 基底弹性模量
•     1.1.2 细胞锚定点密度和粘附
•   1.2 细胞骨架与力传递模型
•   1.3 细胞体积在生理活动中的作用
•   1.4 细胞体积的调控机制
•     1.4.1 改变细胞内外的静水压差
•     1.4.2 改变细胞内外的渗透压差
•   1.5 细胞迁移模型
•     1.5.1 单细胞迁移模型
•     1.5.2 多细胞迁移模型
•   1.6 本文的研究内容和目标
•     1.6.1 基底的力学性质对细胞形貌体积的调控
•     1.6.2 细胞体积在定向迁移过程中的作用
•   1.7 本文的主要工作
• 第二章 基底力学性质对细胞体积的调控
•   2.1 序言
•   2.2 实验方法
•     2.2.1 细胞培养
•     2.2.2 可调控刚度基底的制备
•     2.2.3 基底图案化制作
•     2.2.4 细胞体积的测量方法
•     2.2.5 细胞弹性模量的测量
•     2.2.6 药物抑制和渗透压冲击实验
•   2.3 结果
•     2.3.1 细胞同步化后细胞体积对比
•     2.3.2 细胞在不同刚度基底上的体积
•     2.3.3 细胞动态铺展过程中的体积变化
•     2.3.4 细胞可铺展面积的增大导致细胞体积减小
•     2.3.5 细胞粘附能密度对细胞体积的调控
•     2.3.6 细胞体积是由铺展面积调控
•     2.3.7 细胞与基底之间的粘附将水和离子挤出细胞外
•   2.4 理论模型
•     2.4.1 细胞体积与压力调节机制
•     2.4.2 细胞形状、有效表面积和细胞体积
•     2.4.3 细胞膜应力与皮层应力
•     2.4.4 细胞刚度感应机制
•   2.5 总结与讨论
• 第三章 基底力学性质对单细胞迁移的调控
•   3.1 序言
•   3.2 实验方法
•     3.2.1 细胞培养
•     3.2.2 刚度梯度的聚丙烯酰胺薄膜基底制备
•     3.2.3 基底的力学表征
•     3.2.4 基底表面功能化
•     3.2.5 细胞追踪与体积计算
•     3.2.6 药物处理和渗透压环境改变
•     3.2.7 细胞迁移过程中前后伪足处细胞膜张力的比较
•   3.3 实验结果
•     3.3.1 3T3细胞具有趋硬迁移行为
•     3.3.2 细胞在趋硬迁移过程中的体积调节
•     3.3.3 水和离子的输运影响细胞趋硬迁移行为
•     3.3.4 细胞骨架影响细胞趋硬迁移行为
•     3.3.5 前后伪足膜张力的极性驱动细胞趋硬迁移
•   3.4 总结与讨论
• 第四章 总结与展望
•   4.1 全文工作总结
•   4.2 论文研究创新点
•   4.3 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: 谢克楠

导师: 姜洪源

关键词: 基底力学性质,细胞体积,皮层张力,离子输运,细胞趋硬性迁移

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: 105

文件大小: 14288K

下载量: 129