周期性拉伸對人肺腺癌細(xì)胞增殖及其力學(xué)性質(zhì)的影響.pdf

1、細(xì)胞是生命的實(shí)體和生命的基本單位，幾乎所有的有機(jī)體都是由細(xì)胞和細(xì)胞的產(chǎn)物所組成。細(xì)胞力學(xué)是近十幾年來生物力學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展迅速的一個(gè)前沿課題。眾所周知，細(xì)胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)及其功能，細(xì)胞的生長、發(fā)育、成熟、癌變、增殖、衰老及死亡，細(xì)胞的分化及其調(diào)控機(jī)理，都和細(xì)胞的力學(xué)特性有著密切的聯(lián)系。細(xì)胞力學(xué)過去幾十年集中于紅細(xì)胞，近幾年研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向成骨細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、肺細(xì)胞、肝癌細(xì)胞及多種細(xì)胞的相互作用等。 腫瘤作為一種惡性疾病，嚴(yán)重地危害人類健康

2、，已經(jīng)成為人類生命的第二號殺手。其惡性表現(xiàn)之一就是它的侵襲轉(zhuǎn)移性，這是引起腫瘤晚期惡化，導(dǎo)致死亡的直接原因。周期性拉伸對人肺腺癌細(xì)胞增殖及其力學(xué)性質(zhì)的影響，無論對臨床醫(yī)學(xué)或是基礎(chǔ)理論來說，研究并闡明腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移的機(jī)制都是頭等重大的課題。 本文采用細(xì)胞力學(xué)等方法研究周期性拉伸刺激對人肺腺癌細(xì)胞的增殖率和彈性、粘彈性性質(zhì)的影響并對人肺腺癌細(xì)胞對力學(xué)信號的響應(yīng)機(jī)理作了探討。主要工作結(jié)論如下： 1.通過計(jì)算機(jī)控制的FX-4

3、000柔性基底加載系統(tǒng)研究了在不同波形、不同頻率、不同拉伸幅度及不同持續(xù)時(shí)間下周期性拉伸應(yīng)變對人肺腺癌A549細(xì)胞株生長增殖的影響，使用CMS800真彩顯微圖象分析系統(tǒng)，應(yīng)用Image-pro軟件對細(xì)胞的增殖動(dòng)力學(xué)變化進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：(1)在膠原蛋白(collagenⅠ)基底膜上，應(yīng)變0～20％，加載時(shí)間2h時(shí)，頻率30次/min及60次/min的拉伸，方波刺激組細(xì)胞增殖率明顯受到抑制(P＜0.05)，而正弦波、心形波及三角波拉伸

4、組細(xì)胞增殖率與對照組比較無明顯差異；(2)在膠原蛋白Ⅰ基底膜上，應(yīng)變0～20％，加載時(shí)間2h時(shí)，對于方波刺激，20次/min的頻率刺激組細(xì)胞增殖率與對照組比較無明顯差異，而30次/min、40次/min及60次/min的頻率刺激組細(xì)胞增殖率明顯減少(P＜0.05)，可見，高頻比低頻在抑制A549細(xì)胞株增殖方面作用明顯；(3)在膠原蛋白Ⅰ基底膜上，應(yīng)變0～20％，頻率0.5Hz，加載時(shí)間2h時(shí)，對于方波刺激，拉伸幅度為15％、20％及25

5、％的刺激組細(xì)胞增殖率與對照組比較均明顯降低，而三種不同拉伸幅度實(shí)驗(yàn)組之間細(xì)胞增殖率無明顯差異。 研究證實(shí)：A549細(xì)胞株對體外的生理應(yīng)變作出響應(yīng)時(shí)，方波作用下頻率越高、加載時(shí)間越長的拉伸刺激對細(xì)胞增殖的抑制效果越明顯。提示波形、頻率與時(shí)間的合理組合在抑制腫瘤細(xì)胞生長增殖的過程中起著重要的作用。 2.利用微管吸吮技術(shù)研究了肺腺癌細(xì)胞的被動(dòng)變形特性 (1)首先測量了不同加載組[對照組，程式1(方波、15％、0.5Hz

6、、4h)，程式2(方波、1.5％、0.5Hz、4h)，程式3(正弦波、15％、0.5Hz、4h)，程式4(正弦波、1.5％、0.5Hz、4h)，均使用膠原蛋白基底膜(collagenⅠ)]中單個(gè)細(xì)胞在不同負(fù)壓下的吸入長度，采用線彈性半無限體模型對實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得到了不同加載組肺腺癌細(xì)胞的楊氏彈性模量統(tǒng)計(jì)值，結(jié)果表明：程式1加載組的楊氏彈性模量E與對照組比較明顯降低(P＜0.05)，而程式2、程式3、程式4加載組肺腺癌細(xì)胞的楊氏彈性模量E與

7、對照組比較無顯著性差異。 首次得出：方波(15％、0.5Hz、4h)的拉伸使肺腺癌細(xì)胞的變形能力提高。 (2)測量了不同加載程式[對照組，程式1(方波、15％、0.5Hz、4h)，程式2(方波、1.5％、0.5Hz、4h)，程式3(正弦波、15％、0.5Hz、4h)，程式4(正弦波、1.5％、0.5Hz、4h)]周期性拉伸后肺腺癌細(xì)胞在階躍負(fù)壓作用下吸入長度隨時(shí)間的變化過程，采用標(biāo)準(zhǔn)線性粘彈性模型研究了肺腺癌細(xì)胞的粘彈性

8、特性，得到了不同加載組肺腺癌細(xì)胞的三參數(shù)統(tǒng)計(jì)值，結(jié)果表明： ①程式1加載組彈性系數(shù)K1與對照組比較明顯降低(P＜0.001)，程式3加載組彈性系數(shù)K1與對照組比較明顯降低(P＜0.01)，程式2、程式4加載組彈性系數(shù)K1與對照組比較無明顯差異。 ②程式1加載組彈性系數(shù)K2與對照組比較明顯降低(P＜0.01)，程式3加載組彈性系數(shù)K2與對照組比較有所降低(P＜0.05)，程式2、程式4加載組彈性系數(shù)K2與對照組比較無明顯差

9、異。 ③程式1加載組粘性系數(shù)μ與對照組比較明顯降低(P＜0.05)，程式2加載組粘性系數(shù)μ與對照組比較有所增加，程式3、程式4加載組粘性系數(shù)μ與對照組比較無明顯差異。 ④程式1加載組初始變形程度[1/(K1+K2)]與對照組比較明顯增加(P＜0.001)，程式2、程式3、程式4加載組初始變形程度[1/(K1+K2)]與對照組比較無明顯差異。 ⑤程式1加載組最大變形程度(1/K1)與對照組比較明顯增加(P＜0.01

10、)，程式3加載組最大變形程度(1/K1)與對照組比較明顯增加(P＜0.05)，程式2、程式4加載組最大變形程度(1/K1)與對照組比較無明顯差異。 ⑥程式1加載組細(xì)胞蠕變時(shí)間常數(shù)[(K1+K2)·μ/K1K2]與對照組比較明顯降低(P＜0.01)，程式2加載組細(xì)胞蠕變時(shí)間常數(shù)[(K1+K2)·μ/K1K2]與對照組比較有所升高，程式3、程式4加載組細(xì)胞蠕變時(shí)間常數(shù)[(K1+K2)·μ/K1K2]與對照組比較無明顯差異。

11、實(shí)驗(yàn)證實(shí)：方波在一定的拉伸幅度下(15％)能夠破壞A549細(xì)胞微絲的排列方式，結(jié)果使方波(15％、0.5Hz、4h)加載組肺腺癌細(xì)胞的粘彈性常數(shù)K1、K2和μ值均大幅度減小。正弦波(15％、0.5Hz、4h)加載組肺腺癌細(xì)胞的彈性常數(shù)K1、K2有小幅減少，粘性系數(shù)μ無明顯改變。另外兩加載組(方波、1.5％和正弦波、1.5％)細(xì)胞的粘彈性沒有發(fā)現(xiàn)規(guī)律性的變化?？梢姴ㄐ闻c拉伸幅度的選擇對細(xì)胞粘彈性的改變同樣重要。另外，方波、15％的加載程式