【摘要】：細(xì)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(xì)胞壁來抵抗變形,在力學(xué)刺激的作用下,動物細(xì)胞的體積會發(fā)生很大的變化。而細(xì)胞體積的變化能進(jìn)一步影響細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)、細(xì)胞粘附、細(xì)胞遷移、細(xì)胞增殖和干細(xì)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(xì)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(xì)胞體積變化的影響。因此,研究細(xì)胞體積調(diào)節(jié)的力學(xué)機(jī)制以及細(xì)胞體積調(diào)控如何影響細(xì)胞的生理過程,能更好地了解細(xì)胞體積與細(xì)胞生理功能之間的調(diào)控機(jī)制。體內(nèi)和體外的細(xì)胞基本都處于粘附狀態(tài),因此細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)間的粘附也對細(xì)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(xì)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(xì)胞內(nèi)部進(jìn)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(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)起著十分重要的作用,因為細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)可以決定細(xì)胞在力學(xué)刺激下的響應(yīng)幅度和形式。迄今為此,細(xì)胞體積、細(xì)胞粘附和細(xì)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(jī)制還不清楚。基于這個問題,本文研究細(xì)胞體積調(diào)控細(xì)胞粘附、脫粘和力學(xué)性質(zhì)的力學(xué)機(jī)制。本文首先研究細(xì)胞體積的變化如何調(diào)控對稱地粘附在兩平行板間細(xì)胞的形貌和動力學(xué)響應(yīng)。依賴于粘附細(xì)胞的大小、兩板間的間隔、細(xì)胞與板間的粘附能密度和可變形板的硬度,細(xì)胞可以形成穩(wěn)定的(內(nèi)凹或者外凸)或者不穩(wěn)定的(細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞的體積大小。在動態(tài)粘附過程中細(xì)胞體積會顯著減小,而且穩(wěn)定粘附后細(xì)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(xì)胞體積可以減小50%以上。細(xì)胞粘附導(dǎo)致細(xì)胞體積收縮的原因是細(xì)胞粘附會導(dǎo)致肌動蛋白皮層張力增大進(jìn)而壓縮細(xì)胞將水和離子擠出細(xì)胞外。隨后,通過研究非特異性粘附和特異性粘附細(xì)胞的脫粘過程,本文系統(tǒng)地比較了細(xì)胞體積調(diào)控和受體-配體鍵的動力學(xué)特性對細(xì)胞脫粘速率相關(guān)性的貢獻(xiàn)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(xì)胞脫粘的速率相關(guān)性。外凸細(xì)胞的脫粘速率相關(guān)性主要來源于細(xì)胞體積的調(diào)控,而內(nèi)凹細(xì)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(xì)胞體積變化使得細(xì)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(xì)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(xì)胞表現(xiàn)為粘彈性體。并且理論預(yù)測了細(xì)胞體積調(diào)控引起的粘性對于細(xì)胞整體粘性的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于肌動蛋白皮層性粘性的貢獻(xiàn)。本文首次揭示了細(xì)胞體積的主動調(diào)節(jié)可以導(dǎo)致細(xì)胞出現(xiàn)不穩(wěn)定的粘附形貌,闡明了細(xì)胞粘附導(dǎo)致細(xì)胞壓縮進(jìn)而使得細(xì)胞體積減小的力學(xué)機(jī)理,還發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞脫粘速率相關(guān)性和細(xì)胞粘彈性的新來源機(jī)制-體積調(diào)節(jié)。因此,本文的研究闡明了細(xì)胞體積變化調(diào)控細(xì)胞粘附、脫粘和力學(xué)性質(zhì)的力學(xué)機(jī)制。此外,本文的結(jié)果也預(yù)示著細(xì)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(xì)胞質(zhì)中的囊泡輸運(yùn)［３］；邋（ｃ）滲透壓機(jī)器［５］：水和離子的輸運(yùn)驅(qū)逡逑動細(xì)胞在受限環(huán)境中遷移；（ｄ）紡錘體長度與細(xì)胞體積的大小成正比［６］。逡逑和離子流出細(xì)胞［圖１．１（ｃ）］。因此，細(xì)胞前后兩端水和離子跨膜輸運(yùn)的差異能夠逡逑驅(qū)動細(xì)胞在受限管道內(nèi)遷移，這一驅(qū)動力與細(xì)胞粘附和肌球蛋白的主動收縮無逡逑關(guān)，是一個與細(xì)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(xì)胞遷移的機(jī)制被稱為“滲透壓引擎模型”（Ｏｓｍｏｔｉｃｅｎｇｉｎｅ邋Ｍｏｄｅｌ）。逡逑根據(jù)這個機(jī)制，可以通過改變遷移細(xì)胞前端和后端的滲透壓強(qiáng)度來控制細(xì)胞的逡逑遷移方向與速度。細(xì)胞前端和后端陰、陽離子跨膜輸運(yùn)的差異還可使得細(xì)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(xì)胞體積的大小還能顯著影響細(xì)胞的活性、增殖、分化以及凋亡等。在細(xì)胞逡逑受到壓縮時，細(xì)胞體積的減小可以釋放細(xì)胞內(nèi)部的壓力從而增大細(xì)胞在壓縮加載逡逑下的活性［１６，１７］。細(xì)胞體積的大小還可以控制細(xì)胞核的大�。簦保福莺图�(xì)胞核中染色質(zhì)逡逑的濃縮程度［１９］從而影響細(xì)胞的增殖［２Ｇ，，２１】、紡錘體的長度［圖ｌ．ｌ（ｄ）］［６］和千細(xì)胞逡逑的分化趨勢［２２］。細(xì)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(xì)胞與細(xì)菌，動物細(xì)胞缺少堅硬的細(xì)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(xì)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(xì)胞體積首先會快速膨脹，接逡逑著細(xì)胞可以通過主動調(diào)節(jié)自身水和離子的跨膜輸運(yùn)來慢慢減小體積以便恢復(fù)到逡逑初始的體積大小。細(xì)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(xì)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(yùn)，細(xì)胞體積又慢慢增大到初始的體積逡逑大小［圖１．２（ｂ）］。細(xì)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(xì)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(xì)胞形貌，例逡逑如圓柱形的軸突細(xì)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(xì)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(xì)胞主要是通過調(diào)控水和離子的跨膜輸運(yùn)來調(diào)節(jié)自身的體積大小。細(xì)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(yùn)。水是不可壓縮逡逑的，因此水的跨膜輸運(yùn)會直接導(dǎo)致細(xì)胞體積的變化，而離子的跨膜輸運(yùn)會改變細(xì)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