【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(shí)現(xiàn),基于微流控系統(tǒng)的細(xì)胞趨化性量化研究可以在單個(gè)細(xì)胞的尺度上進(jìn)行。然而,大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究假設(shè)濃度場(chǎng)既不受細(xì)胞存在也不受細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的影響。細(xì)胞感知濃度梯度具有高靈敏度,細(xì)胞的存在和運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)其周?chē)鷿舛忍荻葓?chǎng)造成較大影響,從而影響細(xì)胞的趨化運(yùn)動(dòng),因而細(xì)胞對(duì)于濃度場(chǎng)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(wú)法實(shí)時(shí)觀測(cè)到細(xì)胞周?chē)臐舛忍荻葓?chǎng),因而采用數(shù)值模擬方法研究細(xì)胞運(yùn)動(dòng)對(duì)其化學(xué)微環(huán)境的影響。本文分別運(yùn)用動(dòng)網(wǎng)格模型、動(dòng)邊界模型、多相流模型模擬了細(xì)胞平動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和被動(dòng)變形運(yùn)動(dòng)與其化學(xué)微環(huán)境的相互作用�？紤]了貝克雷數(shù)、細(xì)胞的平移速度、二維模型與三維模型、細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)速度和方向、全粘附模型和無(wú)粘附模型、液滴模型和復(fù)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(shí)際趨化動(dòng)力和趨化方向在細(xì)胞往預(yù)設(shè)趨化方向平移運(yùn)動(dòng)時(shí)變化較大,細(xì)胞的原地旋轉(zhuǎn)則只對(duì)于趨化方向的影響較大,甚至細(xì)胞的不同旋轉(zhuǎn)方向會(huì)導(dǎo)致相反的趨化反應(yīng)。利用微通道設(shè)備的細(xì)胞趨化實(shí)驗(yàn)由于設(shè)備高度可低至一個(gè)細(xì)胞直徑量級(jí)(細(xì)菌等較小的細(xì)胞除外),相關(guān)數(shù)值模擬通常使用二維模型。本文對(duì)具有圓形細(xì)胞的二維模型和具有球形細(xì)胞的三維模型進(jìn)行了比較研究,結(jié)果表明,二維模型可以估計(jì)細(xì)胞的趨化運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),但其放大了細(xì)胞的擾動(dòng)影響,并且這種影響會(huì)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(xì)胞穿越交界面時(shí)感知到的趨化動(dòng)力,且高估了細(xì)胞經(jīng)過(guò)交界面和后到達(dá)引物高濃度區(qū)域時(shí)感知到的趨化力。接著,在實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的趨化系數(shù)基礎(chǔ)上,模擬了中性粒細(xì)胞在微通道中與引物交互影響的趨化運(yùn)動(dòng)。結(jié)果顯示趨化細(xì)胞持續(xù)朝上游方向θ=~9°運(yùn)動(dòng)。最后,考慮了細(xì)胞變形的影響。以白細(xì)胞各項(xiàng)物理屬性作為參考,二維直通道中附著細(xì)胞的被動(dòng)變形和翻滾運(yùn)動(dòng)顯示,在壁面剪切力較大,為6dyn/cm~2時(shí),細(xì)胞若在壁面附近或附著于壁面,其之后的一段運(yùn)動(dòng)軌跡仍將在壁面附近,此時(shí)如果壁面有相關(guān)的粘附因子,細(xì)胞表面或?qū)⑷菀仔纬蛇B接,從而進(jìn)入滾動(dòng)、粘附環(huán)節(jié)。細(xì)胞膜皮質(zhì)張力越小,細(xì)胞變形越大,細(xì)胞核的后置越少,對(duì)于趨化偏轉(zhuǎn)角的影響較小,基本與預(yù)設(shè)趨化角相近,但是最大最小濃度值的后移意味著主動(dòng)趨化變形可能傾向于下游部分先往趨化方向啟動(dòng)。這些工作有助于趨化實(shí)驗(yàn)定量研究和細(xì)胞趨化敏感性精確評(píng)估方法的發(fā)展。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：Q2-33;O359
【圖文】：

不同細(xì)胞的趨化運(yùn)動(dòng)模式。Jin 描述的原核細(xì)胞與真核細(xì)胞的不同趨化運(yùn)動(dòng)示意圖胞趨化運(yùn)動(dòng)：“時(shí)間感應(yīng)”和隨機(jī)運(yùn)動(dòng)示意圖，(b) 真核細(xì)胞趨化運(yùn)動(dòng)：“空間感應(yīng)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)形式主要分為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，其速度范圍分布廣泛，如表腺癌細(xì)胞趨化運(yùn)動(dòng)速度 0.01μm/s[11]至草履蟲(chóng)趨化運(yùn)動(dòng)速度 250μm/對(duì)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(cè)到了細(xì)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(jìn)行光合作用實(shí)驗(yàn)時(shí)，他觀地往由藻類(lèi)細(xì)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(xì)菌有趨化效應(yīng)，H.S. Jennin 在 1906 年發(fā)現(xiàn)纖毛蟲(chóng)也有此效1886 年，諾貝爾醫(yī)學(xué)與生理學(xué)獎(jiǎng)獲得者 Metchnikoff 觀測(cè)吞噬作用的

事件包含三個(gè)基本步驟：選擇素介導(dǎo)的滾動(dòng)、趨化因子觸發(fā)激活和整合素依賴(lài)性捕獲[76]。對(duì)體內(nèi)動(dòng)態(tài)細(xì)胞粘附的初步認(rèn)識(shí)涉及到“對(duì)接”階段，即細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞之間的滾動(dòng)和細(xì)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(jī)制介導(dǎo)的。在這個(gè)階段，分子參與到細(xì)胞表面的結(jié)合、選擇素、趨化因子或免疫球蛋白中[75]。細(xì)胞粘附級(jí)聯(lián)開(kāi)始作為細(xì)胞的滾動(dòng)容器壁。粘附分子之間的分子結(jié)合必須迅速形成細(xì)胞鏈接，且這種鏈接必須迅速打破細(xì)胞滾動(dòng)狀態(tài)[77]。滾動(dòng)細(xì)胞的轉(zhuǎn)導(dǎo)粘連受體和趨化因子受體，導(dǎo)致細(xì)胞滾動(dòng)變慢直到停滯，這是細(xì)胞通過(guò)血管進(jìn)入皮下組織的先決條件[77]。隨后，在活化依賴(lài)的“鎖定”階段，細(xì)胞將與內(nèi)皮細(xì)胞建立穩(wěn)定的連接，主要由整合素介導(dǎo)，并受到活化細(xì)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(dǎo)的粘附至少要滿(mǎn)足兩個(gè)條件：細(xì)胞停止?jié)L動(dòng)進(jìn)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(xì)胞粘附增強(qiáng)并且面積擴(kuò)大，接著細(xì)胞在血管內(nèi)爬行或者輪轉(zhuǎn)遷移，此時(shí)細(xì)胞就有機(jī)會(huì)遷移出脈管系統(tǒng)[76]。

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文離的水滴捕獲，細(xì)胞可以在幾乎無(wú)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(dòng)態(tài)控制梯度范圍的能力。梯度發(fā)生器可以為微型動(dòng)物模型研究和生物對(duì)于化學(xué)信號(hào)的反應(yīng)研究提供微環(huán)境[109-111]，為了擴(kuò)大這些微流控系統(tǒng)的可用性，跨學(xué)科的交流研究不斷推進(jìn)，微流控系統(tǒng)將在未來(lái)有更廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

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(duì)內(nèi)皮細(xì)胞變形的影響[J];生物物理學(xué)報(bào);2003年03期

本文編號(hào)：2781220