数值模拟微通道中细胞运动与其引物流动环境的耦合影响
发布时间：2020-08-05 07:24
【摘要】：随着微流控芯片的发展,流体物理性质和引物浓度梯度分布的稳定控制得以实现,基于微流控系统的细胞趋化性量化研究可以在单个细胞的尺度上进行。然而,大多数的实验研究假设浓度场既不受细胞存在也不受细胞运动的影响。细胞感知浓度梯度具有高灵敏度,细胞的存在和运动会对其周围浓度梯度场造成较大影响,从而影响细胞的趋化运动,因而细胞对于浓度场的影响是值得讨论的。趋化因子梯度的直接可视化技术还处于早期阶段,无法实时观测到细胞周围的浓度梯度场,因而采用数值模拟方法研究细胞运动对其化学微环境的影响。本文分别运用动网格模型、动边界模型、多相流模型模拟了细胞平动、旋转和被动变形运动与其化学微环境的相互作用。考虑了贝克雷数、细胞的平移速度、二维模型与三维模型、细胞的旋转速度和方向、全粘附模型和无粘附模型、液滴模型和复合液滴模型、不同皮质张力等影响因素。结果如下:首先,实际趋化动力和趋化方向在细胞往预设趋化方向平移运动时变化较大,细胞的原地旋转则只对于趋化方向的影响较大,甚至细胞的不同旋转方向会导致相反的趋化反应。利用微通道设备的细胞趋化实验由于设备高度可低至一个细胞直径量级(细菌等较小的细胞除外),相关数值模拟通常使用二维模型。本文对具有圆形细胞的二维模型和具有球形细胞的三维模型进行了比较研究,结果表明,二维模型可以估计细胞的趋化运动趋势,但其放大了细胞的扰动影响,并且这种影响会分离到微环境中。因此,相比于三维模型,二维模型低估了细胞穿越交界面时感知到的趋化动力,且高估了细胞经过交界面和后到达引物高浓度区域时感知到的趋化力。接着,在实验测量得到的趋化系数基础上,模拟了中性粒细胞在微通道中与引物交互影响的趋化运动。结果显示趋化细胞持续朝上游方向θ=~9°运动。最后,考虑了细胞变形的影响。以白细胞各项物理属性作为参考,二维直通道中附着细胞的被动变形和翻滚运动显示,在壁面剪切力较大,为6dyn/cm~2时,细胞若在壁面附近或附着于壁面,其之后的一段运动轨迹仍将在壁面附近,此时如果壁面有相关的粘附因子,细胞表面或将容易形成连接,从而进入滚动、粘附环节。细胞膜皮质张力越小,细胞变形越大,细胞核的后置越少,对于趋化偏转角的影响较小,基本与预设趋化角相近,但是最大最小浓度值的后移意味着主动趋化变形可能倾向于下游部分先往趋化方向启动。这些工作有助于趋化实验定量研究和细胞趋化敏感性精确评估方法的发展。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：Q2-33;O359
【图文】：
不同细胞的趋化运动模式。Jin 描述的原核细胞与真核细胞的不同趋化运动示意图胞趋化运动：“时间感应”和随机运动示意图，(b) 真核细胞趋化运动：“空间感应运动示意图[26]Fig. 1-1 Prokaryotic and eukaryotic cells use different molecularisms to carry out chemotaxis: Jin shows the different type of cells carrying out chemyotic chemotaxis: temporal sensing and random walk and, (b) eukaryotic chemotaxisensing and directional cell migration胞趋化运动形式主要分为平动和转动，其速度范围分布广泛，如表腺癌细胞趋化运动速度 0.01μm/s[11]至草履虫趋化运动速度 250μm/对应的趋化因子也大不相同。文虎克发明显微镜的早期就观测到了细胞的迁移现象，但关于趋化述直到 1881 年才由英格曼首次提出，在进行光合作用实验时，他观地往由藻类细胞制造的氧浓度较高的区域迁移[31-33]。接着，W.F. P年提出细菌有趋化效应，H.S. Jennin 在 1906 年发现纤毛虫也有此效1886 年，诺贝尔医学与生理学奖获得者 Metchnikoff 观测吞噬作用的
事件包含三个基本步骤：选择素介导的滚动、趋化因子触发激活和整合素依赖性捕获[76]。对体内动态细胞粘附的初步认识涉及到“对接”阶段，即细胞与内皮细胞之间的滚动和细胞停滞，是由碳水化合物－碳水化合物或者碳水化合物－蛋白质相互作用的弱粘附机制介导的。在这个阶段，分子参与到细胞表面的结合、选择素、趋化因子或免疫球蛋白中[75]。细胞粘附级联开始作为细胞的滚动容器壁。粘附分子之间的分子结合必须迅速形成细胞链接，且这种链接必须迅速打破细胞滚动状态[77]。滚动细胞的转导粘连受体和趋化因子受体，导致细胞滚动变慢直到停滞，这是细胞通过血管进入皮下组织的先决条件[77]。随后，在活化依赖的“锁定”阶段，细胞将与内皮细胞建立稳定的连接，主要由整合素介导，并受到活化细胞产生的大量生物活性介质的调节[75]。整合素介导的粘附至少要满足两个条件：细胞停止滚动进入停滞状态，并且和后结合相位产生稳定粘附[76]。在“锁定”阶段，与体外静态粘附一样，细胞粘附增强并且面积扩大，接着细胞在血管内爬行或者轮转迁移，此时细胞就有机会迁移出脉管系统[76]。
上海交通大学博士学位论文离的水滴捕获，细胞可以在几乎无剪应力的液滴中培养。液滴混合提供了快速梯度生成和动态控制梯度范围的能力。梯度发生器可以为微型动物模型研究和生物对于化学信号的反应研究提供微环境[109-111]，为了扩大这些微流控系统的可用性，跨学科的交流研究不断推进，微流控系统将在未来有更广阔的发展空间和应用前景。
本文编号：2781220
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：Q2-33;O359
【图文】：
不同细胞的趋化运动模式。Jin 描述的原核细胞与真核细胞的不同趋化运动示意图胞趋化运动：“时间感应”和随机运动示意图，(b) 真核细胞趋化运动：“空间感应运动示意图[26]Fig. 1-1 Prokaryotic and eukaryotic cells use different molecularisms to carry out chemotaxis: Jin shows the different type of cells carrying out chemyotic chemotaxis: temporal sensing and random walk and, (b) eukaryotic chemotaxisensing and directional cell migration胞趋化运动形式主要分为平动和转动，其速度范围分布广泛，如表腺癌细胞趋化运动速度 0.01μm/s[11]至草履虫趋化运动速度 250μm/对应的趋化因子也大不相同。文虎克发明显微镜的早期就观测到了细胞的迁移现象，但关于趋化述直到 1881 年才由英格曼首次提出，在进行光合作用实验时，他观地往由藻类细胞制造的氧浓度较高的区域迁移[31-33]。接着，W.F. P年提出细菌有趋化效应，H.S. Jennin 在 1906 年发现纤毛虫也有此效1886 年，诺贝尔医学与生理学奖获得者 Metchnikoff 观测吞噬作用的
事件包含三个基本步骤：选择素介导的滚动、趋化因子触发激活和整合素依赖性捕获[76]。对体内动态细胞粘附的初步认识涉及到“对接”阶段，即细胞与内皮细胞之间的滚动和细胞停滞，是由碳水化合物－碳水化合物或者碳水化合物－蛋白质相互作用的弱粘附机制介导的。在这个阶段，分子参与到细胞表面的结合、选择素、趋化因子或免疫球蛋白中[75]。细胞粘附级联开始作为细胞的滚动容器壁。粘附分子之间的分子结合必须迅速形成细胞链接，且这种链接必须迅速打破细胞滚动状态[77]。滚动细胞的转导粘连受体和趋化因子受体，导致细胞滚动变慢直到停滞，这是细胞通过血管进入皮下组织的先决条件[77]。随后，在活化依赖的“锁定”阶段，细胞将与内皮细胞建立稳定的连接，主要由整合素介导，并受到活化细胞产生的大量生物活性介质的调节[75]。整合素介导的粘附至少要满足两个条件：细胞停止滚动进入停滞状态，并且和后结合相位产生稳定粘附[76]。在“锁定”阶段，与体外静态粘附一样，细胞粘附增强并且面积扩大，接着细胞在血管内爬行或者轮转迁移，此时细胞就有机会迁移出脉管系统[76]。
上海交通大学博士学位论文离的水滴捕获，细胞可以在几乎无剪应力的液滴中培养。液滴混合提供了快速梯度生成和动态控制梯度范围的能力。梯度发生器可以为微型动物模型研究和生物对于化学信号的反应研究提供微环境[109-111]，为了扩大这些微流控系统的可用性，跨学科的交流研究不断推进，微流控系统将在未来有更广阔的发展空间和应用前景。
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 刘肖珩,P.WACHE,X.WANG,陈槐卿;流体剪应力作用对内皮细胞变形的影响[J];生物物理学报;2003年03期
本文编号：2781220
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