本文關(guān)鍵詞：癌細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)測量及放射誘導(dǎo)下細(xì)胞損傷的生物力學(xué)研究

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【摘要】：癌癥的治療主要包括放射治療、外科手術(shù)、化學(xué)藥物以及其他生物物理等手段。而放射治療對于不適合手術(shù)以及化療的患者,具有一定的優(yōu)勢性。重離子放射作為一種目前最好的外在放療工具,被用于治療多數(shù)無法手術(shù)的腫瘤。碳離子束作為重離子治癌最常用的一種放射線,基于自身獨(dú)特的物理特性和生物學(xué)效應(yīng)已被運(yùn)用到各種腫瘤的治療中。尤其對那些具有輻射抗性的乏氧腫瘤或者臨近危險(xiǎn)器官的深在腫瘤病例,如腦腫瘤、頭頸腫瘤、肺癌、肝癌、泌尿生殖系統(tǒng)腫瘤及皮膚癌等,較常規(guī)放射具有更顯著的療效。由于輻射誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡作為腫瘤治療起效的關(guān)鍵機(jī)制,研究細(xì)胞凋亡發(fā)生的調(diào)控機(jī)制對臨床中抗腫瘤治療具有重要的意義。因此,對于如何有效地評估重離子束腫瘤治療中的療效、細(xì)胞殺傷機(jī)制以及引起的副作用,是完善這一先進(jìn)治療手段的必要條件。由于細(xì)胞凋亡過程不僅伴隨著細(xì)胞形態(tài)學(xué)表型的改變,而且也存在細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)(機(jī)械信號)的演化,二者與凋亡分子通路之間如何耦合關(guān)聯(lián)是一仍未解決的重大科學(xué)問題。在此背景下,本文基于重離子輻射的誘導(dǎo)作用建立了體外細(xì)胞凋亡、體內(nèi)細(xì)胞損傷模型。通過采用MTT、免疫印跡技術(shù)等分子生物學(xué)方法結(jié)合基于原子力顯微鏡的單細(xì)胞力學(xué)技術(shù)以及臨床細(xì)胞學(xué)分析,研究如何將細(xì)胞力學(xué)特性的變化納入到評估癌癥殺傷機(jī)制、治療效果以及副作用的研究體系當(dāng)中。獲得的創(chuàng)新性研究成果如下:(1)基于力學(xué)性質(zhì)變化表征癌細(xì)胞與正常細(xì)胞之間差異,發(fā)現(xiàn)肝癌細(xì)胞系較正常肝細(xì)胞彈性小(軟),隨著癌細(xì)胞侵襲力的增加,其細(xì)胞彈性值降低。并且細(xì)胞粘附力和粘附能量也隨著癌細(xì)胞侵襲力的增加,表現(xiàn)一致增加的趨勢。因此,提出對于具體的生物過程中選擇力學(xué)特性(如細(xì)胞彈性、剛度等)用于描述評價(jià)該生物學(xué)事件,或者通過力學(xué)指標(biāo)去甄別細(xì)胞演化過程中正常細(xì)胞與癌細(xì)胞的差異,這具有明顯的臨床應(yīng)用價(jià)值。(2)基于碳離子輻射對肝癌細(xì)胞殺傷的效果,通過對肝癌細(xì)胞系和正常肝細(xì)胞體外建立經(jīng)典細(xì)胞凋亡模型中調(diào)控分子通路的分析,確認(rèn)了碳離子誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞系經(jīng)由線粒體和死亡受體途徑的激活來參與凋亡發(fā)生。從力學(xué)特性表征的角度,發(fā)現(xiàn)凋亡過程中細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)、細(xì)胞骨架以及凋亡信號分子表達(dá)之間存在強(qiáng)相關(guān)性。這表明細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)、形態(tài)學(xué)重構(gòu)與分子通路之間的緊密耦合相互作用而調(diào)控細(xì)胞凋亡的進(jìn)程。針對細(xì)胞凋亡過程中體現(xiàn)出的典型形態(tài)學(xué)特征,應(yīng)用統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)方法首次提出描述細(xì)胞凋亡過程的力學(xué)模型,揭示了凋亡小體出芽過程的力學(xué)機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)預(yù)示了力學(xué)性質(zhì)的變化可作為評價(jià)重離子腫瘤放射治療中殺傷效果的有效指標(biāo)。(3)針對輻照對金黃地鼠紅細(xì)胞損傷副作用的評價(jià),發(fā)現(xiàn)不同劑量的離子輻照可導(dǎo)致明顯的紅細(xì)胞形態(tài)學(xué)的改變,且細(xì)胞數(shù)量和細(xì)胞形態(tài)學(xué)方面的損害程度,隨輻照劑量的改變而微妙變化,主要體現(xiàn)為紅細(xì)胞大小、形態(tài)以及力學(xué)性質(zhì)以及輻照引起骨架蛋白spectrin-α1表達(dá)減少,這一普遍表現(xiàn)的結(jié)果。從力學(xué)性質(zhì)與構(gòu)型變化兩方面闡明了離子輻射誘導(dǎo)紅細(xì)胞損傷的生物力學(xué)機(jī)理。并首次提出紅細(xì)胞剛度的變化可用于評價(jià)離子輻射引起紅細(xì)胞損傷分級以及副作用的影響�；谏鲜鼋Y(jié)果,碳離子輻射誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞凋亡的發(fā)生不僅存在保守的分子途徑介導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞死亡調(diào)控途徑,而且也存在一個(gè)與形態(tài)-力學(xué)-分子途徑三者緊密耦合交互機(jī)制來決定細(xì)胞凋亡的進(jìn)程�；谏锪W(xué)方案的細(xì)胞凋亡機(jī)制的研究能為臨床碳離子放射治療中更深入的認(rèn)識癌癥殺傷機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)支持及理論依據(jù)。而對于紅細(xì)胞輻射損傷的生物力學(xué)機(jī)理研究,通過分析離子輻射誘導(dǎo)紅細(xì)胞形態(tài)重構(gòu)過程中細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)的改變,我們推斷細(xì)胞形態(tài)學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的變化可以預(yù)測評估腫瘤放射治療所產(chǎn)生副作用的影響。這將為臨床放射治療過程中的療效、安全性以及副作用的評估提供一種新的策略。
【關(guān)鍵詞】：碳離子輻射 人肝癌細(xì)胞 細(xì)胞凋亡 生物型原子力顯微鏡 形態(tài)學(xué)重構(gòu) 力學(xué)性質(zhì) 凋亡小體出芽 磷脂雙分子層膜 細(xì)胞剛度 紅細(xì)胞
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：R730.55
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-13
• 第1章 緒論13-50
• 1.1 引言13-16
• 1.2 癌癥研究與臨床治療現(xiàn)狀16-20
• 1.2.1 癌癥凋亡調(diào)控機(jī)制16-20
• 1.3 腫瘤放射治療研究現(xiàn)狀20
• 1.4 重離子放射——傳統(tǒng)放射線的替代手段20-22
• 1.4.1 重離子放療概況20-21
• 1.4.2 重離子物理及生物學(xué)特性21-22
• 1.4.3 高傳能線密度22
• 1.4.4 Bragg峰劑量分布22
• 1.4.5 相對高的生物學(xué)效應(yīng)22
• 1.4.6 低氧增比22
• 1.4.7 低修復(fù)效率22
• 1.5 細(xì)胞力學(xué)的研究基礎(chǔ)22-35
• 1.5.1 細(xì)胞力學(xué)結(jié)構(gòu)及其組份力學(xué)特性26-34
• 1.5.2 細(xì)胞生物力學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)技術(shù)34-35
• 1.6. 基于AFM的癌細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)研究35-50
• 1.6.1 AFM工作模式36-38
• 1.6.2 AFM在癌細(xì)胞力學(xué)研究中的應(yīng)用38-41
• 1.6.3 基于AFM的癌細(xì)胞表面微觀形貌研究41-43
• 1.6.4 基于AFM癌細(xì)胞彈性研究43
• 1.6.5 基于AFM癌細(xì)胞硬度研究43-44
• 1.6.6 癌細(xì)胞粘附特性研究44-45
• 1.6.7 關(guān)于AFM納米壓痕實(shí)驗(yàn)理論45-48
• 1.6.7.1 細(xì)胞壓痕實(shí)驗(yàn)建模45-46
• 1.6.7.2 壓痕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理46-48
• 1.6.8 本文的主要研究內(nèi)容48-50
• 第2章 基于AFM對不同侵襲力肝癌細(xì)胞和正常肝細(xì)胞的力學(xué)研究50-55
• 2.1 引言50
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分50-51
• 2.2.1 材料和方法50-51
• 2.3 結(jié)果51-52
• 2.3.1 AFM對人肝癌細(xì)胞和正常肝細(xì)胞的形貌觀察51-52
• 2.3.2 AFM測量人肝癌細(xì)胞和正常肝細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)52
• 2.4 討論52-53
• 2.5 本章小結(jié)53-55
• 第3章 碳離子輻射誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞凋亡的分子機(jī)理研究55-68
• 3.1 引言55-56
• 3.2 實(shí)驗(yàn)材料及方法56-58
• 3.2.1 細(xì)胞培養(yǎng)及試劑56-57
• 3.2.2 細(xì)胞輻射過程57
• 3.2.3 MTT比色實(shí)驗(yàn)分析細(xì)胞存活能力57
• 3.2.4 流式細(xì)胞儀分析細(xì)胞周期的分布57
• 3.2.5 SDS-PAGE蛋白電泳和免疫印跡凋亡蛋白分析57-58
• 3.2.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析58
• 3.3 結(jié)果58-64
• 3.3.1 輻照后肝癌細(xì)胞系存活能力分析58-59
• 3.3.2 LD50（半數(shù)致死劑量）反映不同侵襲性肝細(xì)胞癌響應(yīng)對輻射的差異59-60
• 3.3.3 G2/M周期阻滯顯示不同侵襲性肝癌細(xì)胞對碳離子輻射表現(xiàn)出類似的輻射響應(yīng)60-62
• 3.3.4 線粒體和死亡受體途徑凋亡蛋白在碳離子輻照誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞中的表達(dá)62-64
• 3.4 討論64-67
• 3.5 本章小結(jié)67-68
• 第4章 碳離子輻射誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞凋亡的生物力學(xué)研究68-95
• 4.1 引言68-70
• 4.2 實(shí)驗(yàn)材料及方法70-74
• 4.2.1 細(xì)胞系及細(xì)胞培養(yǎng)70
• 4.2.2 細(xì)胞輻射70
• 4.2.3 群體細(xì)胞方法分析細(xì)胞形態(tài)變化70-71
• 4.2.4 F-actin細(xì)胞骨架的熒光圖像分析71
• 4.2.5 AFM單細(xì)胞成像及細(xì)胞力學(xué)測試71-74
• 4.2.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析74
• 4.3 結(jié)果74-85
• 4.3.1 定量分析凋亡重構(gòu)中細(xì)胞幾何形態(tài)的改變74
• 4.3.2 單細(xì)胞測量反映細(xì)胞形貌精確的特征74-78
• 4.3.3 細(xì)胞骨架拆解促進(jìn)形態(tài)學(xué)重構(gòu)78
• 4.3.4 細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)參與凋亡重構(gòu)發(fā)生78-82
• 4.3.5 細(xì)胞凋亡中形態(tài)學(xué)表型和力學(xué)特性間的相關(guān)性分析82-85
• 4.4 討論85-91
• 4.4.1 基于碳離子輻射引起的形態(tài)學(xué)與力學(xué)重構(gòu)對持續(xù)的凋亡發(fā)生不可或缺87-91
• 4.5 細(xì)胞凋亡的理論研究91-94
• 4.5.1 耗散效應(yīng)91-92
• 4.5.2 細(xì)胞凋亡的耗散驅(qū)動(dòng)機(jī)制92-94
• 4.6 本章小結(jié)94-95
• 第5章 放射誘導(dǎo)紅細(xì)胞損傷的生物力學(xué)研究95-117
• 5.1 引言95-97
• 5.2 實(shí)驗(yàn)材料及方法97-102
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物97
• 5.2.2 輻照過程97
• 5.2.3 外周血和骨髓中紅細(xì)胞樣本的制備97-98
• 5.2.4 細(xì)胞學(xué)分析骨髓樣本輻照后紅細(xì)胞的比例98
• 5.2.5 AFM分析碳離子和X射線誘導(dǎo)對紅細(xì)胞的形態(tài)學(xué)以及力學(xué)性質(zhì)的影響98-102
• 5.3 結(jié)果102-111
• 5.3.1 放射誘導(dǎo)地鼠外周血紅細(xì)胞形態(tài)學(xué)改變的光鏡觀察102-103
• 5.3.2 放射對骨髓中紅系細(xì)胞比例的影響103-105
• 5.3.3 AFM解析輻射引起的紅細(xì)胞形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)的變化105-111
• 5.4 討論111-115
• 5.4.1 細(xì)胞固有力學(xué)特性可作為外部擾動(dòng)下表征自身物理狀態(tài)的重要參量111
• 5.4.2 輻射誘導(dǎo)紅細(xì)胞形態(tài)重構(gòu)過程中細(xì)胞剛度的改變111-112
• 5.4.3 骨架蛋白spectrin-α1 參與調(diào)節(jié)輻射引起紅細(xì)胞形態(tài)重構(gòu)過程中的剛度改變112-113
• 5.4.4 紅細(xì)胞形態(tài)重構(gòu)過程中細(xì)胞剛度可以作為一種生物標(biāo)志物評估電離輻射引起的副作用的影響113-115
• 5.5 本章小結(jié)115-117
• 第6章 結(jié)論與展望117-123
• 6.1 主要結(jié)論117-118
• 6.2 研究展望118-119
• 6.3 輻射生物力學(xué)---全新的交叉學(xué)科119-123
• 6.3.1 輻射生物力學(xué)的定義及研究范疇121-123
• 參考文獻(xiàn)123-135
• 英文縮略語注釋135-137
• 附錄A 材料、試劑、儀器以及方法137-139
• 附錄B 主要試劑配制及蛋白免疫印跡技術(shù)139-144
• 在學(xué)期間的科研成果144-146
• 致謝146-147

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本文編號：781967