幾類細胞的生物力學(xué)實驗研究.pdf

1、細胞(cell)是生命的實體和生命的基本單位，幾乎所有的有機體都是由細胞和細胞的產(chǎn)物所組成。對細胞力學(xué)的研究是近十幾年來生物力學(xué)領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來的一個前沿課題。眾所周知，細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其功能，細胞的生長、發(fā)育、成熟、癌變、增殖、衰老以及死亡，細胞的分化及其調(diào)控機理，都和力學(xué)有著密切的關(guān)系。高技術(shù)發(fā)展到今天，不但使人們可以看到微觀層次的結(jié)構(gòu)形態(tài)，而且可以在這一微觀層次上操作、控制和測量材料變化過程。如，高倍光學(xué)顯微鏡和顯微操作儀的應(yīng)用

2、，使人們抓住細胞，并測量細胞的物理特性，如紅細胞、白細胞、內(nèi)皮細胞變形的研究，生物大分子與細胞黏附力的研究，存在于細胞內(nèi)、細胞之間的力學(xué)一生化耦合。 細胞力學(xué)實驗技術(shù)的發(fā)展推動了細胞力學(xué)的研究，同時也提出了許多新的問題。諸如，細胞實驗裝置的力學(xué)問題的理論分析，在不同實驗條件下細胞力學(xué)模型的應(yīng)用等。這些既有復(fù)雜又有相當(dāng)具體的問題是生物力學(xué)工作者必須面對，并逐一加以解決的。作者對幾類細胞的生物力學(xué)實驗的幾個方面問題做了一些理論和實

3、驗研究，取得了一些成果。如，微管吸吮技術(shù)和內(nèi)含不可壓縮流體彈性球殼模型在動物卵母細胞透明帶楊氏模量研究中的應(yīng)用等。具體的工作為如下幾方面： 1.從細胞的一種力學(xué)模型一液滴模型(dropletmodel)研究、說明了一類細胞在微管準(zhǔn)靜吸吮過程出現(xiàn)的失穩(wěn)問題。采用一定的數(shù)一力學(xué)近似，導(dǎo)出了細胞準(zhǔn)靜吸吮過程中，失穩(wěn)點和失穩(wěn)臨界吸附壓強與細胞液滴模型參數(shù)、微管內(nèi)半徑的關(guān)系式。并與DerganicJ等的嚴(yán)格數(shù)字計算解比較，在實際應(yīng)用范圍

4、內(nèi)是符合得相當(dāng)好的。 2.傳統(tǒng)的、較為簡單易行的底部附著拉伸法實驗已廣泛應(yīng)用于力學(xué)刺激引發(fā)的細胞多方面響應(yīng)研究，而目前對細胞在實驗過程的應(yīng)變張量缺乏定量的理論分析。根據(jù)細胞加載實驗中，成骨類細胞黏附在基底(substrate)的幾何形態(tài)特征，定量地分析了細胞應(yīng)變張量與實驗裝置加載參數(shù)的關(guān)系，給出了細胞鋪展面足夠大時，細胞應(yīng)變張量趨于均勻的極限值——特征張量。引入一個場變量來描述一般情況下細胞應(yīng)變張量的非均勻性，并導(dǎo)出參數(shù)的變化

5、范圍與細胞形態(tài)幾何參數(shù)的關(guān)系。專家評價：該研究填補了一項空白，理論分析是可靠的、可行的，對今后的這類實驗有一定的指導(dǎo)意義。 3.應(yīng)變加載設(shè)備對細胞拉伸加載的同時，由于培養(yǎng)液的來回流動，細胞會受到流體剪切力的作用。這作用與細胞加載應(yīng)變相比在不同的加載設(shè)備中是否可忽略，這是一個沒能很好解決的問題。根據(jù)細胞加載系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)參數(shù)和通常成骨類細胞循環(huán)加載的幅度、頻率范圍，由Navier-Stokes方程導(dǎo)出描述加載系統(tǒng)培養(yǎng)液相對

6、基底材料或細胞的近似流動方程，解出了現(xiàn)流行單、雙向平面拉伸系統(tǒng)和四點彎梁拉縮系統(tǒng)工作過程培養(yǎng)液的流速場分布，及對細胞的剪切流動分布，并做比較。結(jié)果表明：所有系統(tǒng)的剪切流動在中點均為零，隨其與中點的距離和加載幅度近成正比增加；四點彎梁拉縮系統(tǒng)的流速場確實比單、雙向平面拉伸系統(tǒng)的大得多。Owan，I等用他們的實驗裝置證實剪切流動對成骨細胞的非膠原蛋白分泌物的mRNA指標(biāo)促進作用甚至大于拉伸應(yīng)變，但是他們無法給出具體的剪切流動數(shù)據(jù)。根據(jù)近似流

7、體剪切流動分布，估算該實驗細胞所受剪應(yīng)力的平均幅度，結(jié)果與其它對同類細胞流變加載的實驗數(shù)據(jù)吻合。本文的研究為在用上述設(shè)備做細胞加載時，區(qū)分應(yīng)變和剪切流動對細胞的刺激影響或研究兩量的耦合效應(yīng)提供了定量的理論參考。 4.利用微管吸吮技術(shù)研究我國沼澤型水牛卵母細胞被動變形特性。經(jīng)過反復(fù)試驗，摸索出一種測量水牛卵母細胞透明帶(zonapellucida)楊氏彈性模量的實驗方法：選擇吸吮微管的內(nèi)直徑為透明帶厚度的兩倍至卵母細胞直徑的三分

8、之一的范圍內(nèi)；用各向同性、內(nèi)含不可壓縮流體球殼模型描述透明帶受微管準(zhǔn)靜吸吮的行為；根據(jù)固體本構(gòu)方程推導(dǎo)出一個相關(guān)的實驗計算公式。用這種方法，在攝氏24～26℃下測量了二十個成熟的水牛卵母細胞透明帶的楊氏彈性模量，發(fā)現(xiàn)該量在相當(dāng)大的變形范圍內(nèi)變化不大，平均值為0.22個大氣壓，離散度小于30％，反映透明帶具有較好的線彈性特點。因為真獸亞綱動物卵母細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)有極大的相似性，該方法適用于許多動物卵母細胞透明帶楊氏彈性模量的測量，為進一步從

9、力學(xué)角度了解動物卵母細胞透明帶的生物學(xué)功能，生化、物理性質(zhì)變化提供了一個有效的途徑。 5.用Flexercell-4000TTM加載系統(tǒng)，對人肺腺癌細胞傳代細胞株(A549)進行模擬正常生理力學(xué)環(huán)境的機械拉伸實驗，觀察4小時內(nèi)連續(xù)力學(xué)刺激對細胞增殖率的作用。發(fā)現(xiàn)時間0.5小時，增殖率響應(yīng)系數(shù)M(％)=18％；1小時，M(％)=22％；4小時，M(％)=5％。結(jié)果表明，短期力學(xué)加載對細胞的增殖有促進作用，在加載循環(huán)為1800次左