人臍靜脈內(nèi)皮細胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)定魯棒性研究.pdf

1、生物魯棒性是指生物系統(tǒng)在其內(nèi)部和(或)外部因素擾動下能保持其結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定的一種特性。研究發(fā)現(xiàn),生物魯棒性普遍存在于生物系統(tǒng)的各個層次中。從生物系統(tǒng)的整體水平到分子水平,生物魯棒性無處不在,如生物系統(tǒng)內(nèi)的能量供應(yīng)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)的晝夜節(jié)律及細菌趨化等現(xiàn)象都是由魯棒性機制所介導(dǎo)的。生物系統(tǒng)的魯棒性主要由以下幾種機制來維持:系統(tǒng)控制、故障一安全機制、模塊性和去偶聯(lián)。生物魯棒性也與疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān),原有生物魯棒性的破壞就可能會導(dǎo)致疾病的

2、發(fā)生,而某些疾病(如代謝綜合癥等)則進一步利用了魯棒性的機制來確保其狀態(tài)的維持和進一步的發(fā)展。因此,從生物魯棒性的角度來認識疾病也有助于我們更加深入地了解疾病發(fā)生、發(fā)展的機制,同時也能幫助我們從系統(tǒng)的角度來探討治療疾病的有效方法。作為第二信使的Ca2+對內(nèi)皮細胞發(fā)揮其正常的功能具有重要的作用。細胞內(nèi)Ca2+代謝具有物質(zhì)交換、能量轉(zhuǎn)換及信息轉(zhuǎn)導(dǎo)的功能,內(nèi)皮細胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)系統(tǒng)把物質(zhì)、能量和信息三大生命活動要素聯(lián)系在一起。同時,Ca2+也是反映

3、內(nèi)皮細胞正常狀態(tài)的一個重要指標。細胞胞質(zhì)游離鈣離子濃度([Ca2+]i)的異常升高與細胞的損傷和死亡密切相關(guān)。因此,探究內(nèi)皮細胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)系統(tǒng)在受到細胞內(nèi)部因素和(或)外部因素擾動時,它將如何保持其結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性對于我們認識內(nèi)皮細胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)系統(tǒng)本質(zhì)的動態(tài)特性具有重要的意義。本學(xué)位論文借助激光共聚焦顯微鏡技術(shù)對內(nèi)皮細胞胞質(zhì)游離Ca2+濃度的變化進行了實時測定。選取K+及H2O2作為內(nèi)皮細胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的外源擾動,測定了五種不同濃度的K+

4、和H2O2作用下內(nèi)皮細胞質(zhì)游離Ca2+的動態(tài)變化過程。在分析數(shù)據(jù)之前,首先對原始數(shù)據(jù)進行了歸一化處理。之后,使用了系統(tǒng)科學(xué)中的Lyapunov穩(wěn)定性定理、非線性系統(tǒng)中的狀態(tài)圖分析方法及基于Lyapunov穩(wěn)定性的系統(tǒng)穩(wěn)定魯棒性的判定方法來對內(nèi)皮細胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)系統(tǒng)在K+(或H2O2)外源擾動因素下的穩(wěn)定魯棒性進行了分析。最后,也討論了歸一化處理這種方法對結(jié)果分析帶來的影響。從實驗結(jié)果中可以得到以下四個結(jié)論:
　　1.內(nèi)皮細胞內(nèi)的鈣調(diào)節(jié)

5、系統(tǒng)是一個典型的非線性系統(tǒng),它具有非線性系統(tǒng)的基本特征及典型特性。
　　2.內(nèi)皮細胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)系統(tǒng)在對抗不同濃度K+(或H2O2)擾動時,其Ca2+濃度的變化形式是不同的。在低濃度劑量(K+為5mmol/L,H2O2為1μmol/L)的擾動下,Ca2+濃度能維持在穩(wěn)定的平衡狀態(tài),內(nèi)皮細胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性較強。在中等濃度劑量(K+為7.5mmol/L和10mmol/L,H2O2為10μmol/L和30μmol/L)的擾動下部分

6、細胞內(nèi)Ca2+濃度能維持在穩(wěn)定的平衡狀態(tài),而部分細胞內(nèi)的Ca2+濃度的平衡狀態(tài)則被破壞,Ca2+濃度有所升高。在高濃度的擾動劑量(K+為20mmol/L和50mmol/L,H2O2為50μmol/L和100μmol/L)作用下,幾乎所有的細胞內(nèi)的Ca2+濃度的平衡狀態(tài)都被破壞,Ca2+濃度明顯升高。這說明只有在一定的擾動范圍內(nèi),細胞的Ca2+濃度才能維持在穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。因此,內(nèi)皮細胞內(nèi)的鈣調(diào)節(jié)系統(tǒng)對抗擾動的穩(wěn)定魯棒性具有區(qū)域性。

7、>　　3.內(nèi)皮細胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性受到擾動劑量的影響,隨著擾動劑量的增加,系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性被逐漸破壞。另一方面,內(nèi)皮細胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性也受到細胞本身狀態(tài)的影響,不同細胞的穩(wěn)定魯棒性在同等強度擾動劑量的作用下可能是不一樣的。因此,內(nèi)皮細胞本身的狀態(tài)和擾動因素兩者共同決定了其鈣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性。
　　4.歸一化處理的方法有一定適用范圍,它只能用于比較處于一定鈣熒光強度范圍內(nèi)的不同細胞的鈣狀態(tài)變化。如果鈣熒光強度過