微圖形梯度曲率對氣道平滑肌細胞生理學和生物力學行為影響的研究.pdf

1、體內(nèi)細胞長期生活在一種動態(tài)的、復雜的、多種物理因素如幾何結構、空間維度和力學刺激等交織共存的微環(huán)境中，細胞能夠感受到這些微環(huán)境物理因素的存在并通過調(diào)節(jié)自身行為和功能對它們做出適當?shù)捻憫４罅垦芯拷Y果表明，很多基底拓撲結構例如直線、隆起、柱狀以及凹陷等都會對細胞的黏附和遷移產(chǎn)生影響。不僅如此，細胞的其它諸多生理行為，如細胞增殖、分化、凋亡等都會不同程度地受到各種細胞周圍微環(huán)境物理因素的影響和調(diào)控。因此通過控制細胞周圍微環(huán)境的因素，尤其是物

2、理因素，對細胞進行相關生物學行為的研究正成為國內(nèi)外研究的重點和熱點。
　　 眾所周知，體內(nèi)很多細胞本身就生活在形狀各異、力學環(huán)境不斷變化的組織器官中，如管狀結構的氣管和血管，尤其是在氣管中，氣道管徑的大小會隨著氣道周期性的收縮擴張而不斷變化。氣道壁上這種曲率的動態(tài)變化很可能會影響氣道平滑肌細胞的生理學和物理學行為。但是，目前絕大多數(shù)關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、因素對氣道平滑肌細胞性質(zhì)和行為的影響顯得十分重要。為了填補這一空白，本課題利用微接觸印刷技術在體外構建了微圖形圓環(huán)陣列模擬體內(nèi)氣道各分級結構的不同曲率大小，研究和探索了曲率變化對氣道平滑肌細胞生理學和力學性質(zhì)可能存在的影響和調(diào)控機制。
　　 根據(jù)氣道解剖學數(shù)據(jù)，我們在微圖形陣列中設計了從直線到半圓(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)來完整地覆蓋氣道壁曲率的變化范圍。在這個陣列中所有圓弧的設

4、計寬度均為20μm，此寬度僅允許單個氣道平滑肌細胞黏附生長，從而保證了氣道平滑肌細胞嚴格按設計曲率彎曲排列，充分感受曲率的存在并對其做出可能的響應。此外，在完整的曲率陣列圖形旁邊，我們設計了一個邊長為1000μm的正方形和半徑為500μm的圓形細胞黏附生長區(qū)域作為實驗對照組圖形。隨后，我們利用活細胞工作站實時成像顯微系統(tǒng)和光學磁微粒扭轉細胞測量技術，對培養(yǎng)在梯度曲率條帶和對照組圖形上的氣道平滑肌細胞的骨架結構和粘著斑組裝變化、遷移速率、

5、運動軌跡和遷移策略以及細胞硬度和收縮性能等生理學和力學行為進行了詳細地分析和比較。我們發(fā)現(xiàn)：
　　 1)氣道平滑肌細胞的骨架結構和粘著斑的重構組裝都受到了曲率因素的影響。當氣道平滑肌細胞選擇性黏附到膠原蛋白裱襯過的曲率條帶上時，氣道平滑肌細胞的形狀會與曲率條帶匹配而發(fā)生改變，同時，這些細胞內(nèi)纖維狀肌動蛋白(F-actin)和粘著斑蛋白(vinculin)的熒光表達強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、條帶上表達最多，并且隨著曲率增大而減少；而vinculin的表達量在中等曲率上最高，并且會隨著曲率的增大先增多后減少。
　　 2)氣道平滑肌細胞的平均遷移速率受到了曲率因素的作用和影響。當曲率從零增加到1/150μm-1時，細胞的遷移速度開始先降低(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胞運動性最差，惰性最強。
　　 3)氣道

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

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

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