【摘要】：隨著微流控芯片的發(fā)展,流體物理性質(zhì)和引物濃度梯度分布的穩(wěn)定控制得以實現(xiàn),基于微流控系統(tǒng)的細胞趨化性量化研究可以在單個細胞的尺度上進行。然而,大多數(shù)的實驗研究假設(shè)濃度場既不受細胞存在也不受細胞運動的影響。細胞感知濃度梯度具有高靈敏度,細胞的存在和運動會對其周圍濃度梯度場造成較大影響,從而影響細胞的趨化運動,因而細胞對于濃度場的影響是值得討論的。趨化因子梯度的直接可視化技術(shù)還處于早期階段,無法實時觀測到細胞周圍的濃度梯度場,因而采用數(shù)值模擬方法研究細胞運動對其化學微環(huán)境的影響。本文分別運用動網(wǎng)格模型、動邊界模型、多相流模型模擬了細胞平動、旋轉(zhuǎn)和被動變形運動與其化學微環(huán)境的相互作用。考慮了貝克雷數(shù)、細胞的平移速度、二維模型與三維模型、細胞的旋轉(zhuǎn)速度和方向、全粘附模型和無粘附模型、液滴模型和復合液滴模型、不同皮質(zhì)張力等影響因素。結(jié)果如下:首先,實際趨化動力和趨化方向在細胞往預設(shè)趨化方向平移運動時變化較大,細胞的原地旋轉(zhuǎn)則只對于趨化方向的影響較大,甚至細胞的不同旋轉(zhuǎn)方向會導致相反的趨化反應(yīng)。利用微通道設(shè)備的細胞趨化實驗由于設(shè)備高度可低至一個細胞直徑量級(細菌等較小的細胞除外),相關(guān)數(shù)值模擬通常使用二維模型。本文對具有圓形細胞的二維模型和具有球形細胞的三維模型進行了比較研究,結(jié)果表明,二維模型可以估計細胞的趨化運動趨勢,但其放大了細胞的擾動影響,并且這種影響會分離到微環(huán)境中。因此,相比于三維模型,二維模型低估了細胞穿越交界面時感知到的趨化動力,且高估了細胞經(jīng)過交界面和后到達引物高濃度區(qū)域時感知到的趨化力。接著,在實驗測量得到的趨化系數(shù)基礎(chǔ)上,模擬了中性粒細胞在微通道中與引物交互影響的趨化運動。結(jié)果顯示趨化細胞持續(xù)朝上游方向θ=~9°運動。最后,考慮了細胞變形的影響。以白細胞各項物理屬性作為參考,二維直通道中附著細胞的被動變形和翻滾運動顯示,在壁面剪切力較大,為6dyn/cm~2時,細胞若在壁面附近或附著于壁面,其之后的一段運動軌跡仍將在壁面附近,此時如果壁面有相關(guān)的粘附因子,細胞表面或?qū)⑷菀仔纬蛇B接,從而進入滾動、粘附環(huán)節(jié)。細胞膜皮質(zhì)張力越小,細胞變形越大,細胞核的后置越少,對于趨化偏轉(zhuǎn)角的影響較小,基本與預設(shè)趨化角相近,但是最大最小濃度值的后移意味著主動趨化變形可能傾向于下游部分先往趨化方向啟動。這些工作有助于趨化實驗定量研究和細胞趨化敏感性精確評估方法的發(fā)展。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：Q2-33;O359
【圖文】：

不同細胞的趨化運動模式。Jin 描述的原核細胞與真核細胞的不同趨化運動示意圖胞趨化運動：“時間感應(yīng)”和隨機運動示意圖，(b) 真核細胞趨化運動：“空間感應(yīng)運動示意圖[26]Fig. 1-1 Prokaryotic and eukaryotic cells use different molecularisms to carry out chemotaxis: Jin shows the different type of cells carrying out chemyotic chemotaxis: temporal sensing and random walk and, (b) eukaryotic chemotaxisensing and directional cell migration胞趨化運動形式主要分為平動和轉(zhuǎn)動，其速度范圍分布廣泛，如表腺癌細胞趨化運動速度 0.01μm/s[11]至草履蟲趨化運動速度 250μm/對應(yīng)的趨化因子也大不相同。文虎克發(fā)明顯微鏡的早期就觀測到了細胞的遷移現(xiàn)象，但關(guān)于趨化述直到 1881 年才由英格曼首次提出，在進行光合作用實驗時，他觀地往由藻類細胞制造的氧濃度較高的區(qū)域遷移[31-33]。接著，W.F. P年提出細菌有趨化效應(yīng)，H.S. Jennin 在 1906 年發(fā)現(xiàn)纖毛蟲也有此效1886 年，諾貝爾醫(yī)學與生理學獎獲得者 Metchnikoff 觀測吞噬作用的

事件包含三個基本步驟：選擇素介導的滾動、趨化因子觸發(fā)激活和整合素依賴性捕獲[76]。對體內(nèi)動態(tài)細胞粘附的初步認識涉及到“對接”階段，即細胞與內(nèi)皮細胞之間的滾動和細胞停滯，是由碳水化合物－碳水化合物或者碳水化合物－蛋白質(zhì)相互作用的弱粘附機制介導的。在這個階段，分子參與到細胞表面的結(jié)合、選擇素、趨化因子或免疫球蛋白中[75]。細胞粘附級聯(lián)開始作為細胞的滾動容器壁。粘附分子之間的分子結(jié)合必須迅速形成細胞鏈接，且這種鏈接必須迅速打破細胞滾動狀態(tài)[77]。滾動細胞的轉(zhuǎn)導粘連受體和趨化因子受體，導致細胞滾動變慢直到停滯，這是細胞通過血管進入皮下組織的先決條件[77]。隨后，在活化依賴的“鎖定”階段，細胞將與內(nèi)皮細胞建立穩(wěn)定的連接，主要由整合素介導，并受到活化細胞產(chǎn)生的大量生物活性介質(zhì)的調(diào)節(jié)[75]。整合素介導的粘附至少要滿足兩個條件：細胞停止?jié)L動進入停滯狀態(tài)，并且和后結(jié)合相位產(chǎn)生穩(wěn)定粘附[76]。在“鎖定”階段，與體外靜態(tài)粘附一樣，細胞粘附增強并且面積擴大，接著細胞在血管內(nèi)爬行或者輪轉(zhuǎn)遷移，此時細胞就有機會遷移出脈管系統(tǒng)[76]。

上海交通大學博士學位論文離的水滴捕獲，細胞可以在幾乎無剪應(yīng)力的液滴中培養(yǎng)。液滴混合提供了快速梯度生成和動態(tài)控制梯度范圍的能力。梯度發(fā)生器可以為微型動物模型研究和生物對于化學信號的反應(yīng)研究提供微環(huán)境[109-111]，為了擴大這些微流控系統(tǒng)的可用性，跨學科的交流研究不斷推進，微流控系統(tǒng)將在未來有更廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 劉肖珩,P.WACHE,X.WANG,陳槐卿;流體剪應(yīng)力作用對內(nèi)皮細胞變形的影響[J];生物物理學報;2003年03期

本文編號：2781220