细胞骨架纤维的抗弯特性及其在细胞内吞过程中的作用

发布时间：2020-06-13 13:42

【摘要】：细胞是一个生物化学/力学高度耦合的复杂系统,从细胞宏观尺度上表现出的细胞结构形态的维持、细胞内吞、细胞粘附/迁移等生理过程,到微观尺度上表现出的对力学信号的感知和传导等生理过程,都同细胞骨架纤维的力学行为密不可分。细胞骨架纤维的主动和被动动态力学行为,在细胞的许多生理过程中起到了重要的作用。精确描述和测量单个细胞骨架纤维的力学性质,不仅能够帮助我们理解细胞这些复杂生理行为背后的微观机制,还能够为生物实验中测量皮牛量级的力提供重要依据。目前,已经有许多方法尝试测量细胞骨架纤维的抗弯刚度,但是都存在不足且结果差别很大。因此,为了揭示影响测量细胞骨架纤维抗弯力学性质的主要因素,需要对细胞骨架纤维的动态弯曲行为进行深入研究。细胞内吞行为是一个复杂的生理过程,为细胞或者生物的新陈代谢提供了重要的通路。近年来,人们对细胞内吞行为的微观分子机制进行了较为深入的研究,并且提出了许多理论和计算模型对细胞内吞行为进行分析。尽管这些模型一定程度上揭示了细胞内吞行为的微观机制,但是很少有模型考虑细胞膜的拉伸变形以及肌动蛋白细胞骨架纤维对细胞内吞行为的影响,而这些影响是不可忽略的。因此,本文对细胞骨架纤维的抗弯力学性质以及肌动蛋白细胞骨架纤维对细胞内吞过程的影响开展了研究,取得的主要成果如下:1、对传统弯曲模态分析方法的不足进行了分析,基于模态分析法和虚功原理,提出了测量细胞骨架纤维抗弯刚度的线性静态方法。接着,以ABAQUS模拟得到的纤维构型以及文献中纤维构型为样本,计算相应纤维抗弯刚度,其结果同给定值吻合较好。线性静态方法首次从理论角度揭示了采样时间间隔和壁面水动力效应对测量纤维抗弯刚度的影响,能够有效地估算纤维的抗弯刚度,特别适用于微管这种抗弯刚度较大的细胞骨架纤维。2、从波动耗散定理出发,基于模态分析法和虚功原理,提出了测量细胞骨架纤维抗弯刚度的非线性方法。然后采用非线性动态有限元——布朗动力学方法模拟了细胞骨架纤维在溶液中的布朗运动,进而以模拟构型和文献中实验观察得到的纤维构型为样本,验证了非线性方法的有效性和正确性,并同线性方法以及传统的弯曲模态分析方法进行了比较,最后还讨论了测量误差对测量纤维抗弯刚度的影响。非线性动态方法首次从理论角度揭示了溶液粘性耗散、采样时间间隔以及壁面水动力效应对测量纤维抗弯刚度的影响,能够更加准确地测量细胞骨架纤维的抗弯刚度,而且更加接近物理真实,而传统弯曲模态分析方法中所使用的能量均分定理不适用于描述纤维各阶模态中储存的平均弯曲内能。3、对细胞内吞行为研究中广泛采用的传统Canham-Helfrich模型进行了扩展。首先推导了肌动蛋白主动力、渗透压、细胞膜张力作用下细胞内吞行为的控制方程以及模态函数解法,指出了传统Canham-Helfrich模型及其求解方法的不足。然后基于共旋节点方法,提出了一种考虑细胞膜面内应变的粗粒化Canham-Helfrich模型,对细胞内吞行为进行了计算模拟,结果同文献中实验结果吻合较好。计算结果发现,尽管在其它位置,细胞膜的弯曲内能要大于轴向应变能,但是,在内凹细胞膜颈部位置附近,拉伸变形占主导,不能忽略。4、研究了肌动蛋白纤维主动力对细胞内吞行为的影响,确定了不同作用位置、角度以及非对称条件下细胞内凹所需的肌动蛋白主动力的临界载荷。发现细胞内吞位点处的肌动蛋白纤维主动力是驱动细胞膜内凹的主要机制,在特定条件下,渗透压同肌动蛋白纤维主动力一道能够促使细胞膜的外凸变形,为细胞大胞饮提供了一种可能的通路机制。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.0

【参考文献】