【摘要】：細(xì)胞是一個生物化學(xué)/力學(xué)高度耦合的復(fù)雜系統(tǒng),從細(xì)胞宏觀尺度上表現(xiàn)出的細(xì)胞結(jié)構(gòu)形態(tài)的維持、細(xì)胞內(nèi)吞、細(xì)胞粘附/遷移等生理過程,到微觀尺度上表現(xiàn)出的對力學(xué)信號的感知和傳導(dǎo)等生理過程,都同細(xì)胞骨架纖維的力學(xué)行為密不可分。細(xì)胞骨架纖維的主動和被動動態(tài)力學(xué)行為,在細(xì)胞的許多生理過程中起到了重要的作用。精確描述和測量單個細(xì)胞骨架纖維的力學(xué)性質(zhì),不僅能夠幫助我們理解細(xì)胞這些復(fù)雜生理行為背后的微觀機制,還能夠為生物實驗中測量皮牛量級的力提供重要依據(jù)。目前,已經(jīng)有許多方法嘗試測量細(xì)胞骨架纖維的抗彎剛度,但是都存在不足且結(jié)果差別很大。因此,為了揭示影響測量細(xì)胞骨架纖維抗彎力學(xué)性質(zhì)的主要因素,需要對細(xì)胞骨架纖維的動態(tài)彎曲行為進行深入研究。細(xì)胞內(nèi)吞行為是一個復(fù)雜的生理過程,為細(xì)胞或者生物的新陳代謝提供了重要的通路。近年來,人們對細(xì)胞內(nèi)吞行為的微觀分子機制進行了較為深入的研究,并且提出了許多理論和計算模型對細(xì)胞內(nèi)吞行為進行分析。盡管這些模型一定程度上揭示了細(xì)胞內(nèi)吞行為的微觀機制,但是很少有模型考慮細(xì)胞膜的拉伸變形以及肌動蛋白細(xì)胞骨架纖維對細(xì)胞內(nèi)吞行為的影響,而這些影響是不可忽略的。因此,本文對細(xì)胞骨架纖維的抗彎力學(xué)性質(zhì)以及肌動蛋白細(xì)胞骨架纖維對細(xì)胞內(nèi)吞過程的影響開展了研究,取得的主要成果如下:1、對傳統(tǒng)彎曲模態(tài)分析方法的不足進行了分析,基于模態(tài)分析法和虛功原理,提出了測量細(xì)胞骨架纖維抗彎剛度的線性靜態(tài)方法。接著,以ABAQUS模擬得到的纖維構(gòu)型以及文獻(xiàn)中纖維構(gòu)型為樣本,計算相應(yīng)纖維抗彎剛度,其結(jié)果同給定值吻合較好。線性靜態(tài)方法首次從理論角度揭示了采樣時間間隔和壁面水動力效應(yīng)對測量纖維抗彎剛度的影響,能夠有效地估算纖維的抗彎剛度,特別適用于微管這種抗彎剛度較大的細(xì)胞骨架纖維。2、從波動耗散定理出發(fā),基于模態(tài)分析法和虛功原理,提出了測量細(xì)胞骨架纖維抗彎剛度的非線性方法。然后采用非線性動態(tài)有限元——布朗動力學(xué)方法模擬了細(xì)胞骨架纖維在溶液中的布朗運動,進而以模擬構(gòu)型和文獻(xiàn)中實驗觀察得到的纖維構(gòu)型為樣本,驗證了非線性方法的有效性和正確性,并同線性方法以及傳統(tǒng)的彎曲模態(tài)分析方法進行了比較,最后還討論了測量誤差對測量纖維抗彎剛度的影響。非線性動態(tài)方法首次從理論角度揭示了溶液粘性耗散、采樣時間間隔以及壁面水動力效應(yīng)對測量纖維抗彎剛度的影響,能夠更加準(zhǔn)確地測量細(xì)胞骨架纖維的抗彎剛度,而且更加接近物理真實,而傳統(tǒng)彎曲模態(tài)分析方法中所使用的能量均分定理不適用于描述纖維各階模態(tài)中儲存的平均彎曲內(nèi)能。3、對細(xì)胞內(nèi)吞行為研究中廣泛采用的傳統(tǒng)Canham-Helfrich模型進行了擴展。首先推導(dǎo)了肌動蛋白主動力、滲透壓、細(xì)胞膜張力作用下細(xì)胞內(nèi)吞行為的控制方程以及模態(tài)函數(shù)解法,指出了傳統(tǒng)Canham-Helfrich模型及其求解方法的不足。然后基于共旋節(jié)點方法,提出了一種考慮細(xì)胞膜面內(nèi)應(yīng)變的粗粒化Canham-Helfrich模型,對細(xì)胞內(nèi)吞行為進行了計算模擬,結(jié)果同文獻(xiàn)中實驗結(jié)果吻合較好。計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),盡管在其它位置,細(xì)胞膜的彎曲內(nèi)能要大于軸向應(yīng)變能,但是,在內(nèi)凹細(xì)胞膜頸部位置附近,拉伸變形占主導(dǎo),不能忽略。4、研究了肌動蛋白纖維主動力對細(xì)胞內(nèi)吞行為的影響,確定了不同作用位置、角度以及非對稱條件下細(xì)胞內(nèi)凹所需的肌動蛋白主動力的臨界載荷。發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)吞位點處的肌動蛋白纖維主動力是驅(qū)動細(xì)胞膜內(nèi)凹的主要機制,在特定條件下,滲透壓同肌動蛋白纖維主動力一道能夠促使細(xì)胞膜的外凸變形,為細(xì)胞大胞飲提供了一種可能的通路機制。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：R318.0

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 賈康昱;劉小虎;;細(xì)胞骨架動態(tài)重組及其力學(xué)行為研究進展[J];生物物理學(xué)報;2014年03期

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本文編號：2711263