本文關鍵詞：細胞與基體相互作用的多尺度探索性研究

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【摘要】：大量實驗表明胞外基質的力學性質,比如剛度、拓撲結構、變形等,可以調控細胞的形態(tài)、遷移、基因表達等。細胞的這種能感知周圍環(huán)境的力學信號并產生響應能力稱為細胞的力敏感性。細胞與基體相互作用是細胞力敏感行為的重要組成部分。本文從分子尺度、亞細胞尺度、細胞尺度三個尺度分別研究了細胞與基體相互作用,從力學角度為更深入地理解細胞與基體相互作用提供了新的思路和方法。本文的主要研究內容包括以下幾個方面。(1)分子尺度的研究包括:(a)滑移鍵強度研究經典的滑移鍵強度理論認為,當加載速率低于某個臨界值時,經典鍵合強度會變?yōu)榱�。這個預測與一些實驗觀察相悖。本文基于鍵合在低加載速率下可再結合的假設,提出了平均鍵合強度的理論。分析表明平均鍵合強度在低加載速率下逐漸飽和,飽和值隨著系統(tǒng)剛度的增大而增大。本文認為平均鍵合強度可作為一種衡量滑移鍵強度的新物理量在動力學力譜實驗中進行測量。(b)逆鎖鍵的記憶性研究基于不同形式的雙態(tài)模型,本文構建了兩種類型的逆鎖鍵,研究了兩類逆鎖鍵在不同變載荷作用下的動力學特性。當逆鎖鍵受到先加載后固定的載荷時,兩類逆鎖鍵具有相似的壽命與載荷關系。在受到其它形式的變載荷時,兩類逆鎖鍵的記憶性卻表現(xiàn)出顯著的不同。(c)振動配體與受體的結合在生理條件下,分子鍵團簇受到振動載荷的作用,其穩(wěn)定性受到單分子鍵的解離和結合動力學特性的調控。通過求解受體與振動配體結合的擴散反應方程,本文發(fā)現(xiàn)在大部分生理條件下受體與振動配體結合可以簡化為與擴散無關的過程。分析結果表明,鍵合的平均結合時間在高頻時趨于飽和,且存在一個最佳鍵合剛度使得平均結合時間最小。(2)亞細胞尺度的研究包括:(a)循環(huán)載荷作用下的滑移鍵團簇穩(wěn)定性本文開發(fā)并使用蒙特卡羅法和有限單元法相耦合的算法研究了分子鍵團簇在循環(huán)載荷作用下的穩(wěn)定性。模擬結果表明滑移鍵團簇有兩種失效模式:壽命較長的滑移失效模式和壽命較短的快速失效模式�；奇I團簇的壽命隨著循環(huán)載荷幅度和頻率的增大而減小,但高頻時趨于飽和。本文還發(fā)現(xiàn)了滑移鍵團簇反常的穩(wěn)定性增強現(xiàn)象:當循環(huán)載荷的振幅較高而頻率較低時,滑移鍵團簇的壽命會顯著增加。參數(shù)研究表明,單分子鍵的隨機動力學特性和循環(huán)載荷的形式都對該現(xiàn)象有顯著影響。(b)循環(huán)載荷作用下的逆鎖鍵團簇穩(wěn)定性本文模擬了鍵合均為第一類逆鎖鍵或第二類逆鎖鍵的兩種逆鎖鍵團簇在循環(huán)載荷作用下的穩(wěn)定性。模擬結果表明循環(huán)載荷傾向于降低兩類滑移鍵團簇的穩(wěn)定性。兩類逆鎖鍵團簇的壽命都隨著振幅增加而降低,且都隨著頻率增加而降低并逐漸飽和。(3)細胞尺度的研究:雙軸循環(huán)拉伸下的細胞旋轉研究細胞在受到雙軸循環(huán)拉伸的基體上會發(fā)生旋轉,其最終取向與兩個方向的拉伸應變比例有關。針對現(xiàn)有理論無法解釋這個實驗現(xiàn)象的問題,有學者建立了基于細胞被動彈性能的理論。本文從彈性肌節(jié)粘附模型出發(fā),同時考慮了黏著斑中的拉力和剪切力的作用,研究了細胞的最終取向和拉伸應變比的關系,以及不同初始角度、不同拉伸應變比的細胞旋轉動力學過程。本文提出的理論成功解釋了雙軸循環(huán)拉伸下的細胞旋轉實驗結果。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：Q27

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本文編號：1301744