【摘要】：細胞的微環(huán)境中存在著許多力學(xué)刺激。由于缺少堅硬的細胞壁來抵抗變形,在力學(xué)刺激的作用下,動物細胞的體積會發(fā)生很大的變化。而細胞體積的變化能進一步影響細胞的力學(xué)性質(zhì)、細胞粘附、細胞遷移、細胞增殖和干細胞分化等生理過程。因此,為了能夠穩(wěn)定地執(zhí)行自身的生理功能,細胞需要主動地調(diào)節(jié)體積大小來穩(wěn)定自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)。但是,目前為止很多研究都忽略了細胞體積變化的影響。因此,研究細胞體積調(diào)節(jié)的力學(xué)機制以及細胞體積調(diào)控如何影響細胞的生理過程,能更好地了解細胞體積與細胞生理功能之間的調(diào)控機制。體內(nèi)和體外的細胞基本都處于粘附狀態(tài),因此細胞與細胞外基質(zhì)間的粘附也對細胞的很多生理過程有著重要的影響。與外界基底的粘附可使得細胞能夠感知周圍環(huán)境的力學(xué)信號,并將力學(xué)信號傳入細胞內(nèi)部進而將力學(xué)信號傳化為化學(xué)信號。在力學(xué)信號感知和傳遞的過程中,細胞的力學(xué)性質(zhì)起著十分重要的作用,因為細胞的力學(xué)性質(zhì)可以決定細胞在力學(xué)刺激下的響應(yīng)幅度和形式。迄今為此,細胞體積、細胞粘附和細胞力學(xué)性質(zhì)之間有著怎樣的力學(xué)關(guān)聯(lián)和耦合機制還不清楚�；谶@個問題,本文研究細胞體積調(diào)控細胞粘附、脫粘和力學(xué)性質(zhì)的力學(xué)機制。本文首先研究細胞體積的變化如何調(diào)控對稱地粘附在兩平行板間細胞的形貌和動力學(xué)響應(yīng)。依賴于粘附細胞的大小、兩板間的間隔、細胞與板間的粘附能密度和可變形板的硬度,細胞可以形成穩(wěn)定的(內(nèi)凹或者外凸)或者不穩(wěn)定的(細胞自發(fā)破裂或者崩塌)粘附形貌,并且不穩(wěn)定的粘附形貌是由體積變化直接引起的。此外作為一個體積可變的開放系統(tǒng),細胞的力學(xué)響應(yīng)還與加載歷史和加載速率有關(guān)。再接著,本文研究細胞粘附到單個基底表面時,基底的力學(xué)和物理性質(zhì)如何調(diào)控細胞的體積大小。在動態(tài)粘附過程中細胞體積會顯著減小,而且穩(wěn)定粘附后細胞的體積隨著基底硬度、可粘附面積和粘附能密度的增大,細胞體積可以減小50%以上。細胞粘附導(dǎo)致細胞體積收縮的原因是細胞粘附會導(dǎo)致肌動蛋白皮層張力增大進而壓縮細胞將水和離子擠出細胞外。隨后,通過研究非特異性粘附和特異性粘附細胞的脫粘過程,本文系統(tǒng)地比較了細胞體積調(diào)控和受體-配體鍵的動力學(xué)特性對細胞脫粘速率相關(guān)性的貢獻比例。由體積調(diào)控和受體-配體鍵的動力學(xué)特性分別引起的速率相關(guān)性是相反的,并且這兩者分別在不同的時間尺度下控制著細胞脫粘的速率相關(guān)性。外凸細胞的脫粘速率相關(guān)性主要來源于細胞體積的調(diào)控,而內(nèi)凹細胞的速率相關(guān)性主要來源于受體-配體鍵的動力學(xué)特性。最后,本文還通過實驗和理論結(jié)合研究雙板壓縮時細胞體積變化使得細胞表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)在高頻和低頻周期性壓縮下,體積的變化使得細胞表現(xiàn)為彈性體,而在中間頻率的周期性壓縮下,體積變化使得細胞表現(xiàn)為粘彈性體。并且理論預(yù)測了細胞體積調(diào)控引起的粘性對于細胞整體粘性的貢獻遠遠大于肌動蛋白皮層性粘性的貢獻。本文首次揭示了細胞體積的主動調(diào)節(jié)可以導(dǎo)致細胞出現(xiàn)不穩(wěn)定的粘附形貌,闡明了細胞粘附導(dǎo)致細胞壓縮進而使得細胞體積減小的力學(xué)機理,還發(fā)現(xiàn)了細胞脫粘速率相關(guān)性和細胞粘彈性的新來源機制-體積調(diào)節(jié)。因此,本文的研究闡明了細胞體積變化調(diào)控細胞粘附、脫粘和力學(xué)性質(zhì)的力學(xué)機制。此外,本文的結(jié)果也預(yù)示著細胞體積調(diào)控有可能在其他生理過程中起到重要的調(diào)節(jié)作用。
【圖文】：

胞體積的減小會抑制細胞質(zhì)中的囊泡輸運［３］；邋（ｃ）滲透壓機器［５］：水和離子的輸運驅(qū)逡逑動細胞在受限環(huán)境中遷移；（ｄ）紡錘體長度與細胞體積的大小成正比［６］。逡逑和離子流出細胞［圖１．１（ｃ）］。因此，細胞前后兩端水和離子跨膜輸運的差異能夠逡逑驅(qū)動細胞在受限管道內(nèi)遷移，這一驅(qū)動力與細胞粘附和肌球蛋白的主動收縮無逡逑關(guān)，是一個與細胞在二維基底上的遷移時完全不一樣的驅(qū)動力。受限空間內(nèi)由體逡逑積變化引起的細胞遷移的機制被稱為“滲透壓引擎模型”（Ｏｓｍｏｔｉｃｅｎｇｉｎｅ邋Ｍｏｄｅｌ）。逡逑根據(jù)這個機制，可以通過改變遷移細胞前端和后端的滲透壓強度來控制細胞的逡逑遷移方向與速度。細胞前端和后端陰、陽離子跨膜輸運的差異還可使得細胞在外逡逑加電場的作用下出現(xiàn)定向遷移（趨電性）［１５］。逡逑細胞體積的大小還能顯著影響細胞的活性、增殖、分化以及凋亡等。在細胞逡逑受到壓縮時，細胞體積的減小可以釋放細胞內(nèi)部的壓力從而增大細胞在壓縮加載逡逑下的活性［１６，１７］。細胞體積的大小還可以控制細胞核的大小ｔ１８］和細胞核中染色質(zhì)逡逑的濃縮程度［１９］從而影響細胞的增殖［２Ｇ，，２１】、紡錘體的長度［圖ｌ．ｌ（ｄ）］［６］和千細胞逡逑的分化趨勢［２２］。細胞程序性死亡（Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ邋Ｃｅｌｌ邋Ｄｅａｔｈ，邋ＰＣＤ）時一個明顯的形逡逑貌特征是顯著的體積收縮ｐ３］

不同于植物細胞與細菌，動物細胞缺少堅硬的細胞壁來抵抗外界環(huán)境變化逡逑所引起的體積變化，因此動物細胞需要主動地調(diào)控自身體積的大小來適應(yīng)不同逡逑的生理環(huán)境［３５］。如圖１．２（ａ）所示，在低滲沖擊下，細胞體積首先會快速膨脹，接逡逑著細胞可以通過主動調(diào)節(jié)自身水和離子的跨膜輸運來慢慢減小體積以便恢復(fù)到逡逑初始的體積大小。細胞體積膨脹后恢復(fù)到初始體積大小的過程稱為調(diào)節(jié)性體積逡逑減小（Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ邋Ｖｏｌｕｍｅ邋Ｄｅｃｒｅａｓｅ，ＲＶＤ）。而在高滲刺激下，細胞體積首先會快逡逑速減小，接著通過調(diào)節(jié)水和離子的跨膜輸運，細胞體積又慢慢增大到初始的體積逡逑大小［圖１．２（ｂ）］。細胞體積縮小之后恢復(fù)到初始體積大小的過程稱為調(diào)節(jié)性體積逡逑增大（Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ邋Ｖｏｌｕｍｅ邋Ｉｎｃｒｅａｓｅ，ＲＶＩ）。這些體積調(diào)節(jié)過程可以使得細胞能夠在逡逑不同的生理條件下保持體積的穩(wěn)定。這種體積調(diào)節(jié)行為有助于穩(wěn)定細胞形貌，例逡逑如圓柱形的軸突細胞在低滲環(huán)境中的體積膨脹會導(dǎo)致軸突形貌的失穩(wěn)，由圓柱逡逑形變化成串珠形（Ｐｅｒｉｓｔａｌｔｉｃ邋Ｓｈａｐｅ）。通過自身低滲刺激后的調(diào)節(jié)性體積減小這一逡逑過程，軸突細胞可以消除外界滲透壓變化所導(dǎo)致的形貌變化，并在幾分鐘內(nèi)恢復(fù)逡逑到圓柱形｜３６］。逡逑細胞主要是通過調(diào)控水和離子的跨膜輸運來調(diào)節(jié)自身的體積大小。細胞膜逡逑兩側(cè)的靜水壓差與滲透壓差可以直接控制水和離子的跨膜輸運。水是不可壓縮逡逑的，因此水的跨膜輸運會直接導(dǎo)致細胞體積的變化，而離子的跨膜輸運會改變細逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：Q27


本文編號：2640467