细胞与基体相互作用的多尺度探索性研究

发布时间：2017-12-17 22:11

  本文关键词：细胞与基体相互作用的多尺度探索性研究

  更多相关文章： 细胞与基体相互作用 滑移键 逆锁键 黏着斑 应力纤维 力敏感性 细胞旋转 分子键团簇

【摘要】：大量实验表明胞外基质的力学性质,比如刚度、拓扑结构、变形等,可以调控细胞的形态、迁移、基因表达等。细胞的这种能感知周围环境的力学信号并产生响应能力称为细胞的力敏感性。细胞与基体相互作用是细胞力敏感行为的重要组成部分。本文从分子尺度、亚细胞尺度、细胞尺度三个尺度分别研究了细胞与基体相互作用,从力学角度为更深入地理解细胞与基体相互作用提供了新的思路和方法。本文的主要研究内容包括以下几个方面。(1)分子尺度的研究包括:(a)滑移键强度研究经典的滑移键强度理论认为,当加载速率低于某个临界值时,经典键合强度会变为零。这个预测与一些实验观察相悖。本文基于键合在低加载速率下可再结合的假设,提出了平均键合强度的理论。分析表明平均键合强度在低加载速率下逐渐饱和,饱和值随着系统刚度的增大而增大。本文认为平均键合强度可作为一种衡量滑移键强度的新物理量在动力学力谱实验中进行测量。(b)逆锁键的记忆性研究基于不同形式的双态模型,本文构建了两种类型的逆锁键,研究了两类逆锁键在不同变载荷作用下的动力学特性。当逆锁键受到先加载后固定的载荷时,两类逆锁键具有相似的寿命与载荷关系。在受到其它形式的变载荷时,两类逆锁键的记忆性却表现出显著的不同。(c)振动配体与受体的结合在生理条件下,分子键团簇受到振动载荷的作用,其稳定性受到单分子键的解离和结合动力学特性的调控。通过求解受体与振动配体结合的扩散反应方程,本文发现在大部分生理条件下受体与振动配体结合可以简化为与扩散无关的过程。分析结果表明,键合的平均结合时间在高频时趋于饱和,且存在一个最佳键合刚度使得平均结合时间最小。(2)亚细胞尺度的研究包括:(a)循环载荷作用下的滑移键团簇稳定性本文开发并使用蒙特卡罗法和有限单元法相耦合的算法研究了分子键团簇在循环载荷作用下的稳定性。模拟结果表明滑移键团簇有两种失效模式:寿命较长的滑移失效模式和寿命较短的快速失效模式。滑移键团簇的寿命随着循环载荷幅度和频率的增大而减小,但高频时趋于饱和。本文还发现了滑移键团簇反常的稳定性增强现象:当循环载荷的振幅较高而频率较低时,滑移键团簇的寿命会显著增加。参数研究表明,单分子键的随机动力学特性和循环载荷的形式都对该现象有显著影响。(b)循环载荷作用下的逆锁键团簇稳定性本文模拟了键合均为第一类逆锁键或第二类逆锁键的两种逆锁键团簇在循环载荷作用下的稳定性。模拟结果表明循环载荷倾向于降低两类滑移键团簇的稳定性。两类逆锁键团簇的寿命都随着振幅增加而降低,且都随着频率增加而降低并逐渐饱和。(3)细胞尺度的研究:双轴循环拉伸下的细胞旋转研究细胞在受到双轴循环拉伸的基体上会发生旋转,其最终取向与两个方向的拉伸应变比例有关。针对现有理论无法解释这个实验现象的问题,有学者建立了基于细胞被动弹性能的理论。本文从弹性肌节粘附模型出发,同时考虑了黏着斑中的拉力和剪切力的作用,研究了细胞的最终取向和拉伸应变比的关系,以及不同初始角度、不同拉伸应变比的细胞旋转动力学过程。本文提出的理论成功解释了双轴循环拉伸下的细胞旋转实验结果。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：Q27

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本文编号：1301745