胞外微环境对细胞及细胞群体的物理行为调控

论文摘要

传统的生物学研究更多的是专注在细胞对分子信号的感应,因而大多数实验是在二维培养环境中完成的。但是真实的细胞外微环境更加纷繁复杂,细胞不仅是以群体形式存在,周围还包含多种化学成分构成的细胞外基质、其它异质性细胞等等。细胞通过粘附蛋白与胞外基质连接,周围硬度变化产生的力学信号响应会影响细胞迁移模式、形态、分化等等。直接接触的细胞群体中,细胞间粘附力与细胞骨架收缩的博弈决定了肿瘤群体性侵袭、器官形成中细胞重排及变形、伤口愈合等众多过程。对于远距离的细胞来说,细胞与基质的相互作用产生力场,这一力学信号经过胞外基质传导能够实现细胞间远程通讯。因此在本文中,我们在三维环境中研究了细胞与细胞群体的物理学行为:首先,利用乳腺癌细胞系,分析单细胞在二维和准三维环境中形态、运动的差别,发现细胞会对周围基质的力学性质变化产生响应。然后,在胶原蛋白上培养乳腺囊肿细胞,证明细胞间能够通过是来自于运动过程中形成的胶原蛋白纤维束传导的力学信号实现远程通信。接下来,利用乳腺囊肿细胞和上皮细胞,并调节细胞间粘附力和表面张力,证实了在单层细胞中细胞形状因子与运动速度存在正相关,但是改变群体内细胞间相互作用会使细胞产生整体运动性改变。之后,增加细胞种类,发现共培养体系中细胞集群的定向形变和运动会在垂直平面产生力场,这一力学信号经胞外基质传导,会引发细胞在平面内的聚集。这是借由胞外基质传递力学信号诱导的多细胞运动第一次被如此直接地观察到。最终,我们尝试将共培养体系从硬底表面移动到基质胶表面,在“超软”基底上,哪怕细胞与基底存在较强粘附作用,也能够通过拖拽基质变形实现快速聚集。综上,本文研究了从单细胞到细胞群再到异质性细胞群中,细胞之间、细胞与胞外基质之间相互作用对细胞运动学和形态学的调控。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 细胞微环境概述
•     1.1.1 胞外基质对细胞行为的影响
•     1.1.2 细胞群体效应
•   1.2 构建三维生物微环境实验方法
•     1.2.1 胞外基质选择
•     1.2.2 构建体外三维微结构方法
•     1.2.3 异质细胞培养体系构建
•   1.3 细胞和细胞群物理模型分析
•     1.3.1 自驱动粒子模型
•     1.3.2 顶点模型（Vertex Model）
•     1.3.3 其它模型
•   1.4 本论文选题依据及意义
• 第二章 准三维环境下细胞运动学及形态学响应
•   2.1 前言
•   2.2 材料与方法
•     2.2.1 细胞系
•     2.2.2 实验操作
•     2.2.3 数据分析
•   2.3 实验结果
•     2.3.1 细胞形态与运动轨迹
•     2.3.2 细胞运动速度
•     2.3.3 细胞面积与形状因子
•     2.3.4 金属蛋白酶对细胞运动、形态影响
•     2.3.5 不同浓度基质胶下蛋白降解能力对细胞运动性影响
•     2.3.6 细胞体积
•   2.4 讨论
•   2.5 小结
• 第三章 细胞在胞外基质环境中力学信号传导
•   3.1 前言
•   3.2 材料与方法
•     3.2.1 细胞系
•     3.2.2 实验操作
•     3.2.3 数据分析
•   3.3 实验结果
•     3.3.1 细胞在硬底与胶原蛋白上运动性比较
•     3.3.2 细胞运动关联性
•     3.3.3 胶原蛋白引导细胞对定向运动
•   3.4 讨论
•   3.5 小结
• 第四章 多细胞群体相互作用对细胞运动学及形态学影响
•   4.1 前言
•   4.2 材料与方法
•     4.2.1 细胞系
•     4.2.2 PDMS模具
•     4.2.3 实验操作
•     4.2.4 定量化数据提取
•     4.2.5 数据分析
•   4.3 实验结果
•     4.3.1 单细胞及细胞层细胞面积分布比较
•     4.3.2 单细胞与细胞层细胞形状因子分布比较
•     4.3.3 单细胞与细胞层运动速度分布比
•     4.3.4 细胞运动速度与形状的关联性
•     4.3.5 细胞间粘附作用对细胞面积、形状因子、运动速度的影响
•     4.3.6 细胞形状因子及运动速度的相关性分析
•     4.3.7 细胞面积分布类型与细胞间相互作用关系
•   4.4 讨论
•   4.5 小结
• 第五章 多细胞共培养体系在准三维环境中的聚集行为
•   5.1 引言
•   5.2 材料与方法
•     5.2.1 细胞系
•     5.2.2 实验操作
•     5.2.3 定量化数据提取
•   5.3 结果与分析
•     5.3.1 细胞的反常聚集
•     5.3.2 细胞在垂直方向分离
•     5.3.3 细胞分层与细胞聚集关系
•     5.3.4 对照组调节细胞垂直分离与反常聚集
•     5.3.5 细胞与基质胶相互作用
•   5.4 讨论
•   5.5 小结
• 第六章 多细胞共培养体系在软基底上的集群行为
•   6.1 引言
•   6.2 材料与方法
•     6.2.1 实验操作
•     6.2.2 定量化数据提取
•   6.3 结果与分析
•     6.3.1 共培养细胞群体聚集行为
•     6.3.2 细胞群垂直培养时的聚集行为
•     6.3.3 细胞聚集过程的力场追踪
•     6.3.4 单细胞在软基底上运动
•     6.3.5 不同细胞比例的共培养体系
•     6.3.6 细胞群体聚集的动力学过程
•   6.4 讨论
•   6.5 小结
• 第七章 全文总结和未来展望
•   未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王晓晨

导师: 叶方富

关键词: 细胞外微环境,细胞运动学,细胞形态学,群体行为,力学信号,粘附性

来源: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

分类号: Q27

DOI: 10.27604/d.cnki.gwlys.2019.000010

总页数: 119

文件大小: 7209k