微圖形梯度曲率對(duì)氣道平滑肌細(xì)胞生理學(xué)和生物力學(xué)行為影響的研究.pdf

1、體內(nèi)細(xì)胞長(zhǎng)期生活在一種動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的、多種物理因素如幾何結(jié)構(gòu)、空間維度和力學(xué)刺激等交織共存的微環(huán)境中，細(xì)胞能夠感受到這些微環(huán)境物理因素的存在并通過(guò)調(diào)節(jié)自身行為和功能對(duì)它們做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。大量研究結(jié)果表明，很多基底拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)例如直線、隆起、柱狀以及凹陷等都會(huì)對(duì)細(xì)胞的黏附和遷移產(chǎn)生影響。不僅如此，細(xì)胞的其它諸多生理行為，如細(xì)胞增殖、分化、凋亡等都會(huì)不同程度地受到各種細(xì)胞周?chē)h(huán)境物理因素的影響和調(diào)控。因此通過(guò)控制細(xì)胞周?chē)h(huán)境的因素，尤其是物

2、理因素，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行相關(guān)生物學(xué)行為的研究正成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
　　 眾所周知，體內(nèi)很多細(xì)胞本身就生活在形狀各異、力學(xué)環(huán)境不斷變化的組織器官中，如管狀結(jié)構(gòu)的氣管和血管，尤其是在氣管中，氣道管徑的大小會(huì)隨著氣道周期性的收縮擴(kuò)張而不斷變化。氣道壁上這種曲率的動(dòng)態(tài)變化很可能會(huì)影響氣道平滑肌細(xì)胞的生理學(xué)和物理學(xué)行為。但是，目前絕大多數(shù)關(guān)于哮喘和氣道病變的研究，都忽略了曲率因素在氣道病理過(guò)程中可能扮演的角色和作用，因此探討微環(huán)境曲率

3、因素對(duì)氣道平滑肌細(xì)胞性質(zhì)和行為的影響顯得十分重要。為了填補(bǔ)這一空白，本課題利用微接觸印刷技術(shù)在體外構(gòu)建了微圖形圓環(huán)陣列模擬體內(nèi)氣道各分級(jí)結(jié)構(gòu)的不同曲率大小，研究和探索了曲率變化對(duì)氣道平滑肌細(xì)胞生理學(xué)和力學(xué)性質(zhì)可能存在的影響和調(diào)控機(jī)制。
　　 根據(jù)氣道解剖學(xué)數(shù)據(jù)，我們?cè)谖D形陣列中設(shè)計(jì)了從直線到半圓(半徑為50μm)的梯度曲率條帶(代表從0到1/50μm-1的曲率變化范圍)來(lái)完整地覆蓋氣道壁曲率的變化范圍。在這個(gè)陣列中所有圓弧的設(shè)

4、計(jì)寬度均為20μm，此寬度僅允許單個(gè)氣道平滑肌細(xì)胞黏附生長(zhǎng)，從而保證了氣道平滑肌細(xì)胞嚴(yán)格按設(shè)計(jì)曲率彎曲排列，充分感受曲率的存在并對(duì)其做出可能的響應(yīng)。此外，在完整的曲率陣列圖形旁邊，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)邊長(zhǎng)為1000μm的正方形和半徑為500μm的圓形細(xì)胞黏附生長(zhǎng)區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)對(duì)照組圖形。隨后，我們利用活細(xì)胞工作站實(shí)時(shí)成像顯微系統(tǒng)和光學(xué)磁微粒扭轉(zhuǎn)細(xì)胞測(cè)量技術(shù)，對(duì)培養(yǎng)在梯度曲率條帶和對(duì)照組圖形上的氣道平滑肌細(xì)胞的骨架結(jié)構(gòu)和粘著斑組裝變化、遷移速率、

5、運(yùn)動(dòng)軌跡和遷移策略以及細(xì)胞硬度和收縮性能等生理學(xué)和力學(xué)行為進(jìn)行了詳細(xì)地分析和比較。我們發(fā)現(xiàn)：
　　 1)氣道平滑肌細(xì)胞的骨架結(jié)構(gòu)和粘著斑的重構(gòu)組裝都受到了曲率因素的影響。當(dāng)氣道平滑肌細(xì)胞選擇性黏附到膠原蛋白裱襯過(guò)的曲率條帶上時(shí)，氣道平滑肌細(xì)胞的形狀會(huì)與曲率條帶匹配而發(fā)生改變，同時(shí)，這些細(xì)胞內(nèi)纖維狀肌動(dòng)蛋白(F-actin)和粘著斑蛋白(vinculin)的熒光表達(dá)強(qiáng)度和分布排列也隨著曲率變化而發(fā)生了改變，例如F-actin在直線

6、條帶上表達(dá)最多，并且隨著曲率增大而減少；而vinculin的表達(dá)量在中等曲率上最高，并且會(huì)隨著曲率的增大先增多后減少。
　　 2)氣道平滑肌細(xì)胞的平均遷移速率受到了曲率因素的作用和影響。當(dāng)曲率從零增加到1/150μm-1時(shí)，細(xì)胞的遷移速度開(kāi)始先降低(0～1/750μm-1)，隨后升高(1/750～1/150μm-1)。在中等曲率也就是在曲率為1/750μm-1的條帶上的氣道平滑肌細(xì)胞運(yùn)動(dòng)性最差，惰性最強(qiáng)。
　　 3)氣道

7、平滑肌細(xì)胞擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)策略受到了曲率的影響。黏附生長(zhǎng)于曲率條帶上的氣道平滑肌細(xì)胞的遷移大部分情況下呈亞擴(kuò)散行為，并且冪率響應(yīng)指數(shù)變化非常輕微；而只有在較大的時(shí)間間隔內(nèi)，在低或高曲率條帶上的細(xì)胞的擴(kuò)散行為才呈現(xiàn)超擴(kuò)散的遷移策略。
　　 4)雖然冪率響應(yīng)擬合直線的斜率很可能與曲率無(wú)關(guān)，但是細(xì)胞硬度的大小卻受到了曲率變化的顯著影響。當(dāng)曲率從0升高到1/150μm-1，氣道平滑肌細(xì)胞的硬度以雙相形式變化，例如，曲率從低到中等變化時(shí)細(xì)胞硬度增

8、加，曲率從中等到高變化時(shí)細(xì)胞硬度減小。有趣的是，生長(zhǎng)在對(duì)照區(qū)域的氣道平滑肌細(xì)胞的硬度與生長(zhǎng)在直線條帶上的細(xì)胞硬度大致相等。
　　 5)細(xì)胞的收縮力隨著基底曲率的變大而減小。當(dāng)曲率從0升高到1/150μm-1時(shí)，氣道平滑肌細(xì)胞的收縮力一直在減小，但是對(duì)照組區(qū)域內(nèi)細(xì)胞的收縮力與中間曲率條帶上細(xì)胞的收縮力相當(dāng)。氣道平滑肌細(xì)胞的收縮力隨著曲率升高而減小的結(jié)果與細(xì)胞內(nèi)纖維狀肌動(dòng)蛋白的表達(dá)量是密切關(guān)聯(lián)的。從幾何觀點(diǎn)來(lái)看，纖維狀肌動(dòng)蛋白平行于

9、氣道平滑肌細(xì)胞的主軸排列，是產(chǎn)生收縮力的主要結(jié)構(gòu)形式。這表明直線條帶上的氣道平滑肌細(xì)胞有最大比例的纖維狀肌動(dòng)蛋白平行于細(xì)胞的排列主軸，因此與高曲率條帶上的細(xì)胞相比表現(xiàn)出了最大的收縮力。
　　 總之，氣道平滑肌細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)、細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)性和細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)都不同程度地受到了曲率因素的作用和影響，并且，氣道平滑肌細(xì)胞內(nèi)纖絲狀肌動(dòng)蛋白和粘著斑蛋白的表達(dá)水平，看起來(lái)分別與氣道平滑肌細(xì)胞的收縮力和運(yùn)動(dòng)性相互關(guān)聯(lián)。這些研究結(jié)果將為更好地理解哮喘疾