癌细胞力学性质测量及放射诱导下细胞损伤的生物力学研究

发布时间：2017-09-03 01:11

  本文关键词：癌细胞力学性质测量及放射诱导下细胞损伤的生物力学研究

  更多相关文章： 碳离子辐射 人肝癌细胞 细胞凋亡 生物型原子力显微镜 形态学重构 力学性质 凋亡小体出芽 磷脂双分子层膜 细胞刚度 红细胞

【摘要】：癌症的治疗主要包括放射治疗、外科手术、化学药物以及其他生物物理等手段。而放射治疗对于不适合手术以及化疗的患者,具有一定的优势性。重离子放射作为一种目前最好的外在放疗工具,被用于治疗多数无法手术的肿瘤。碳离子束作为重离子治癌最常用的一种放射线,基于自身独特的物理特性和生物学效应已被运用到各种肿瘤的治疗中。尤其对那些具有辐射抗性的乏氧肿瘤或者临近危险器官的深在肿瘤病例,如脑肿瘤、头颈肿瘤、肺癌、肝癌、泌尿生殖系统肿瘤及皮肤癌等,较常规放射具有更显著的疗效。由于辐射诱导细胞凋亡作为肿瘤治疗起效的关键机制,研究细胞凋亡发生的调控机制对临床中抗肿瘤治疗具有重要的意义。因此,对于如何有效地评估重离子束肿瘤治疗中的疗效、细胞杀伤机制以及引起的副作用,是完善这一先进治疗手段的必要条件。由于细胞凋亡过程不仅伴随着细胞形态学表型的改变,而且也存在细胞力学性质(机械信号)的演化,二者与凋亡分子通路之间如何耦合关联是一仍未解决的重大科学问题。在此背景下,本文基于重离子辐射的诱导作用建立了体外细胞凋亡、体内细胞损伤模型。通过采用MTT、免疫印迹技术等分子生物学方法结合基于原子力显微镜的单细胞力学技术以及临床细胞学分析,研究如何将细胞力学特性的变化纳入到评估癌症杀伤机制、治疗效果以及副作用的研究体系当中。获得的创新性研究成果如下:(1)基于力学性质变化表征癌细胞与正常细胞之间差异,发现肝癌细胞系较正常肝细胞弹性小(软),随着癌细胞侵袭力的增加,其细胞弹性值降低。并且细胞粘附力和粘附能量也随着癌细胞侵袭力的增加,表现一致增加的趋势。因此,提出对于具体的生物过程中选择力学特性(如细胞弹性、刚度等)用于描述评价该生物学事件,或者通过力学指标去甄别细胞演化过程中正常细胞与癌细胞的差异,这具有明显的临床应用价值。(2)基于碳离子辐射对肝癌细胞杀伤的效果,通过对肝癌细胞系和正常肝细胞体外建立经典细胞凋亡模型中调控分子通路的分析,确认了碳离子诱导肝癌细胞系经由线粒体和死亡受体途径的激活来参与凋亡发生。从力学特性表征的角度,发现凋亡过程中细胞形态、细胞力学性质、细胞骨架以及凋亡信号分子表达之间存在强相关性。这表明细胞力学性质、形态学重构与分子通路之间的紧密耦合相互作用而调控细胞凋亡的进程。针对细胞凋亡过程中体现出的典型形态学特征,应用统计热力学方法首次提出描述细胞凋亡过程的力学模型,揭示了凋亡小体出芽过程的力学机制。这些发现预示了力学性质的变化可作为评价重离子肿瘤放射治疗中杀伤效果的有效指标。(3)针对辐照对金黄地鼠红细胞损伤副作用的评价,发现不同剂量的离子辐照可导致明显的红细胞形态学的改变,且细胞数量和细胞形态学方面的损害程度,随辐照剂量的改变而微妙变化,主要体现为红细胞大小、形态以及力学性质以及辐照引起骨架蛋白spectrin-α1表达减少,这一普遍表现的结果。从力学性质与构型变化两方面阐明了离子辐射诱导红细胞损伤的生物力学机理。并首次提出红细胞刚度的变化可用于评价离子辐射引起红细胞损伤分级以及副作用的影响。基于上述结果,碳离子辐射诱导肝癌细胞凋亡的发生不仅存在保守的分子途径介导的肿瘤细胞死亡调控途径,而且也存在一个与形态-力学-分子途径三者紧密耦合交互机制来决定细胞凋亡的进程。基于生物力学方案的细胞凋亡机制的研究能为临床碳离子放射治疗中更深入的认识癌症杀伤机制提供实验支持及理论依据。而对于红细胞辐射损伤的生物力学机理研究,通过分析离子辐射诱导红细胞形态重构过程中细胞力学性质的改变,我们推断细胞形态学和力学性质的变化可以预测评估肿瘤放射治疗所产生副作用的影响。这将为临床放射治疗过程中的疗效、安全性以及副作用的评估提供一种新的策略。
【关键词】：碳离子辐射 人肝癌细胞 细胞凋亡 生物型原子力显微镜 形态学重构 力学性质 凋亡小体出芽 磷脂双分子层膜 细胞刚度 红细胞
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R730.55
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-13
• 第1章 绪论13-50
• 1.1 引言13-16
• 1.2 癌症研究与临床治疗现状16-20
• 1.2.1 癌症凋亡调控机制16-20
• 1.3 肿瘤放射治疗研究现状20
• 1.4 重离子放射——传统放射线的替代手段20-22
• 1.4.1 重离子放疗概况20-21
• 1.4.2 重离子物理及生物学特性21-22
• 1.4.3 高传能线密度22
• 1.4.4 Bragg峰剂量分布22
• 1.4.5 相对高的生物学效应22
• 1.4.6 低氧增比22
• 1.4.7 低修复效率22
• 1.5 细胞力学的研究基础22-35
• 1.5.1 细胞力学结构及其组份力学特性26-34
• 1.5.2 细胞生物力学研究的实验技术34-35
• 1.6. 基于AFM的癌细胞力学性质研究35-50
• 1.6.1 AFM工作模式36-38
• 1.6.2 AFM在癌细胞力学研究中的应用38-41
• 1.6.3 基于AFM的癌细胞表面微观形貌研究41-43
• 1.6.4 基于AFM癌细胞弹性研究43
• 1.6.5 基于AFM癌细胞硬度研究43-44
• 1.6.6 癌细胞粘附特性研究44-45
• 1.6.7 关于AFM纳米压痕实验理论45-48
• 1.6.7.1 细胞压痕实验建模45-46
• 1.6.7.2 压痕实验数据处理46-48
• 1.6.8 本文的主要研究内容48-50
• 第2章 基于AFM对不同侵袭力肝癌细胞和正常肝细胞的力学研究50-55
• 2.1 引言50
• 2.2 实验部分50-51
• 2.2.1 材料和方法50-51
• 2.3 结果51-52
• 2.3.1 AFM对人肝癌细胞和正常肝细胞的形貌观察51-52
• 2.3.2 AFM测量人肝癌细胞和正常肝细胞的力学性质52
• 2.4 讨论52-53
• 2.5 本章小结53-55
• 第3章 碳离子辐射诱导肝癌细胞凋亡的分子机理研究55-68
• 3.1 引言55-56
• 3.2 实验材料及方法56-58
• 3.2.1 细胞培养及试剂56-57
• 3.2.2 细胞辐射过程57
• 3.2.3 MTT比色实验分析细胞存活能力57
• 3.2.4 流式细胞仪分析细胞周期的分布57
• 3.2.5 SDS-PAGE蛋白电泳和免疫印迹凋亡蛋白分析57-58
• 3.2.6 统计学分析58
• 3.3 结果58-64
• 3.3.1 辐照后肝癌细胞系存活能力分析58-59
• 3.3.2 LD50（半数致死剂量）反映不同侵袭性肝细胞癌响应对辐射的差异59-60
• 3.3.3 G2/M周期阻滞显示不同侵袭性肝癌细胞对碳离子辐射表现出类似的辐射响应60-62
• 3.3.4 线粒体和死亡受体途径凋亡蛋白在碳离子辐照诱导肝癌细胞中的表达62-64
• 3.4 讨论64-67
• 3.5 本章小结67-68
• 第4章 碳离子辐射诱导肝癌细胞凋亡的生物力学研究68-95
• 4.1 引言68-70
• 4.2 实验材料及方法70-74
• 4.2.1 细胞系及细胞培养70
• 4.2.2 细胞辐射70
• 4.2.3 群体细胞方法分析细胞形态变化70-71
• 4.2.4 F-actin细胞骨架的荧光图像分析71
• 4.2.5 AFM单细胞成像及细胞力学测试71-74
• 4.2.6 统计学分析74
• 4.3 结果74-85
• 4.3.1 定量分析凋亡重构中细胞几何形态的改变74
• 4.3.2 单细胞测量反映细胞形貌精确的特征74-78
• 4.3.3 细胞骨架拆解促进形态学重构78
• 4.3.4 细胞力学性质参与凋亡重构发生78-82
• 4.3.5 细胞凋亡中形态学表型和力学特性间的相关性分析82-85
• 4.4 讨论85-91
• 4.4.1 基于碳离子辐射引起的形态学与力学重构对持续的凋亡发生不可或缺87-91
• 4.5 细胞凋亡的理论研究91-94
• 4.5.1 耗散效应91-92
• 4.5.2 细胞凋亡的耗散驱动机制92-94
• 4.6 本章小结94-95
• 第5章 放射诱导红细胞损伤的生物力学研究95-117
• 5.1 引言95-97
• 5.2 实验材料及方法97-102
• 5.2.1 实验动物97
• 5.2.2 辐照过程97
• 5.2.3 外周血和骨髓中红细胞样本的制备97-98
• 5.2.4 细胞学分析骨髓样本辐照后红细胞的比例98
• 5.2.5 AFM分析碳离子和X射线诱导对红细胞的形态学以及力学性质的影响98-102
• 5.3 结果102-111
• 5.3.1 放射诱导地鼠外周血红细胞形态学改变的光镜观察102-103
• 5.3.2 放射对骨髓中红系细胞比例的影响103-105
• 5.3.3 AFM解析辐射引起的红细胞形态和力学性质的变化105-111
• 5.4 讨论111-115
• 5.4.1 细胞固有力学特性可作为外部扰动下表征自身物理状态的重要参量111
• 5.4.2 辐射诱导红细胞形态重构过程中细胞刚度的改变111-112
• 5.4.3 骨架蛋白spectrin-α1 参与调节辐射引起红细胞形态重构过程中的刚度改变112-113
• 5.4.4 红细胞形态重构过程中细胞刚度可以作为一种生物标志物评估电离辐射引起的副作用的影响113-115
• 5.5 本章小结115-117
• 第6章 结论与展望117-123
• 6.1 主要结论117-118
• 6.2 研究展望118-119
• 6.3 辐射生物力学---全新的交叉学科119-123
• 6.3.1 辐射生物力学的定义及研究范畴121-123
• 参考文献123-135
• 英文缩略语注释135-137
• 附录A 材料、试剂、仪器以及方法137-139
• 附录B 主要试剂配制及蛋白免疫印迹技术139-144
• 在学期间的科研成果144-146
• 致谢146-147

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本文编号：781967