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1、第一章引言1 1背景介绍第一章引言细胞是所有生物体的基本组成单元。为了实现它们特定的功能，细胞必须进行以下生命活动：1 ) 表达遗传信息：2 ) 合成、修改、筛选、存储以及运输生物分子；3 ) 进行各种不同形式能量之间的转换；4 ) 信号转换；5 ) 维持内部结构；6 ) 对外部环境做出反应( Z h ue ta 1 ，2 0 0 0 ) ，这些过程的许多方面都涉及到力学因素。研究已经证明机械力对细胞生命活动有很大的影响，比如细胞生长、分裂、运动、粘附、信号转换以及基因表达等。但是到目前为止，生物细胞探测机械力并转换成生物化学信号以及最终对外界刺激做出反应的方式和机理仍然不清楚。因此，作为第一
2、步，我们必须研究细胞对外部应力的响应机制，而这也是生物力学领域的一部分。许多生物以及工程领域的研究组已经对生物力学进行了大量的研究，特别是单细胞研究近年来受到了广泛关注，原因是它能够提供细胞群体分析中经常忽视的单个细胞信息，利用细胞的内在特性比如力学性质可以区分相同外表但是不同组成成分的细胞。细胞的力学特性很大程度上反应了细胞骨架的结构组成，它决定细胞对外界刺激的力学响应。最近的研究表明细胞力学特性的变化可能与一些人类疾病的产生和发展有关。所以，单细胞力学性质的研究可能可以检测和识别少量的非正常细胞并为致命疾病的早期诊断提供一种潜在的方法。由于力学特性的重要性，在过去几十年生物细胞力学性质的测
3、量受到了极大的关注并取得了一些成就。随着微操作技术的发展，人们已经开发了一些实验方法用来进行单细胞的操作和力学性质表征，比如m i c r o p i p e t t ea s p i r a t i o n ，原子力显微镜，c e l lp o k e r ，m a g n e t i ct w i s t i n gc y t o m e t r y ，光镊，o p f i c a L ls t r e t c h e r 以及微加工器件。这些方法能够测量细胞对外界作用力的力学响应，而且对探测力以及细胞变形的测量精度可以分别高至皮牛和纳米量级。除发展实验技术外，细胞力学模型也是不可或缺的，
4、它可以用来解释实验过程中的各种力学响应，并从测得的实验数据中分析得到细胞的力学特性。近年来生物细胞的理论建模取得了很大的发展。一般地，现有的细胞模型大致可以分为两类：微结构模型和连续介质模型。微结构模型认为细胞骨架是承受外部应力以及维持细胞完整的主要结构( S t a m e n o v i ca n dC o u g h l i n ，19 9 9 ) 。该模型可以分别模拟细胞骨架主要成分的作用，即肌动蛋白微丝，中间微丝以及微管，而且其主要用于贴壁细胞。连续介质模型把细胞当作一个由多个弹性或者粘弹性连续介质材料组成的合成体，它不能第一章引言提供关于细胞内以及分子级生命活动的信息。在绝大部分情
5、况下，该模型用于悬浮细胞。总之，虽然细胞操作技术以及建模方法都取得了很大的发展，但是在单细胞水平描述和解释细胞的变形行为仍然是一大难题。1 2 问题描述研究者已经发展了多种微操作技术来研究生物细胞的力学性质。在细胞操作过程中，微探测器经常用来刺激细胞并测量其力学和生物响应，通过分析测得的响应可以得到其力学特性。研究报道细胞力学性质的变化可能与人类疾病有关，而且细胞力学特性可以用作生物指标来从正常细胞中辨别出非正常细胞。虽然在探测单细胞力学特性方面取得了一些进展，但是仍然需要极大的努力来推进生物力学研究，特别是对于单细胞研究，挑战主要来自以下三个方面。首先，细胞力学模型在单细胞操作中是必不可少的
6、，很少有人研究以及解释微操作过程中的细胞变形行为，例如细胞微注射以及光学拉伸。细胞模型的缺乏导致许多细胞力学响应无法评估，比如生物膜表面的张力，应力以及应变。其次，通过微操作技术测得细胞响应以后，如何解释其力学响应以及进一步获取细胞力学特性仍然是一大挑战。众所周知，实验测量只能得到力学响应数据，而为了表征其力学特性，我们需要发展一个合适的细胞力学模型。再次，虽然已经提出了一些细胞模型来解释力学响应，但是绝大部分都是基于某一种特定实验情况而不能应用在多种微操作条件下。此外，即使人们可以针对不同的情况发展不同的模型，但是不同的细胞模型中前提和假设的不同可能导致得出的力学特性不具有可比性。因此，目前
7、急需发展一种针对多种实验条件的一般化细胞力学模型来描述和估测细胞的变形行为，进而获取单个细胞的力学特性。1 3 研究目标本论文的主要目的在于生物细胞的力学建模以及细胞力学特性的表征，具体来说主要包括以下四个方面：1 ) 发展一种细胞建模的理论框架针对多种实验条件下生物细胞的力学建模是本论文的主要工作。我们提出了一种一般化的理论框架，该理论可以作为后续章节中发展细胞力学模型的基础。在特定实验情况下，这一理论框架可以结合合适的边界条件和限制条件从而得到更精确的细胞模型。该基础模型可以用来描述多种情况下细胞的力学行为，比如微注射以及o p t i c a ls t r e t c h e r 以及光
8、镊中的细胞拉伸。第一章引言2 ) 微注射中硬骨鱼晶胚的力学建模以及细胞力学特性表征基于上述的理论框架，我们发展了一种新的力学模型来描述微注射过程中晶胚与其外部环境之间的相互作用。这一模型可以预测细胞的多种力学响应，比如生物膜张力，应力和应变，更重要的是建立了注射力和细胞变形之间的联系。通过对比模拟结果与实验数据可以得到硬骨鱼晶胚的力学特性。该模型还可以用多种本征材料描述不同细胞的变形行为。通过最小化实验与模拟结果之间的偏差，可以识别出对于某一种特定生物膜的最佳本征材料。3 ) o p t i c a ls t r e t c h e r 中红细胞变形的建模我们延拓提出的基础模型来描述红细胞在o
9、 p t i c a ls t r e t c h e r 中的变形行为。球形细胞表面的光学辐射压力始终垂直于细胞表面并且使得细胞沿着光轴方向拉伸。结合这种应力，该细胞力学模型可以预估膜表面张力以及细胞半径对其变形的影响。此外，该模型还可以表征红细胞的力学特性。4 ) 光镊对人类红细胞在不同渗透条件下力学性质的表征我们利用光镊技术研究人类红细胞在高渗，等渗以及低渗条件下的变形行为。通过实验测量可以得到红细胞在不同渗透压下的力学响应。为了从实验数据中获取红细胞的力学特性，我们从基础理论框架中发展了针对于球形肿胀红细胞的力学模型，而且对两面凹的红细胞的变形做了有限元分析。通过把实验结果与模拟结果做
10、对比，我们得到了不同渗透条件下人类红细胞的剪切模量。1 4 研究方法和意义1 4 1提出一种细胞力学建模的理论框架我们提出了一种模拟悬浮细胞被外力刺激后力学响应的基础理论框架，它构成了本论文后续章节中用来描述硬骨鱼晶胚和人类红细胞变形行为的细胞力学模型的基础。这一理论假设细胞由内部的液体和外部的不可压缩以及各向同性均质的生物膜组成。模型中通常用本征材料来表达生物膜的材料行为，而且把内部液体对细胞变形的贡献看成是垂直作用在膜上的静水力学压力。该基础模型基于膜理论并应用一般化的平衡方程来决定生物膜的力平衡。结合特定细胞操作中的边界条件和限制，可以利用数值算法来求解平衡方程，从而得到细胞的力学响应，
11、比如操作力，细胞变形，膜张力，应力以及应变。基于提出的理论框架，我们可以发展出针对多种实验条件下的细胞力学模型并评估力学响应。1 4 2发展一种细胞微注射过程中细胞力学模型第一章引言在细胞注射中，微注射针头使硬骨鱼晶胚发生变形并最终破裂。为了模拟这一过程，我们从理论框架中发展了一种新的力学模型。该模型由平衡方程推导得到了细胞与针头接触区以及非接触区的控制方程，结合微注射过程中的细胞边界条件和体积恒定限制，采用标准的R u n g e K u t t a 方法求解控制方程，然后得出注射力与细胞变形之间的联系。此外，该模型还可以预估细胞表面张力以及应力分布，模拟结果指出注射针头大小对注射过程的重要
12、影响以及注射中细胞内部压强的变化。为了验证提出的力学模型，我们用处于不同发育阶段的斑马鱼晶胚和青鳝鱼晶胚做了一系列的微注射实验。对比发现模拟结果与实验数据吻合得很好，这证明了这一细胞模型的有效性和正确性。该模型还表征出了不同阶段斑马鱼晶胚的弹性模量，结果说明在孵化前斑马鱼晶胚膜随着发育逐渐变软，同时还证明了青鳝鱼晶胚远硬于斑马鱼晶胚。在微注射模型中，我们用多种本征材料来表示不同细胞生物膜的材料行为，并且利用偏差参数来定量衡量模拟结果与实验数据之间的拟合度。通过最小化该参数，可以识别出能描述该膜的最佳材料模型以及其力学特性。1 4 3o p t i c a ls t r e t c h e r
13、中红细胞变形的力学建模在o p t i c a ls t r e t c h e r 中，红细胞被两束相向传播的激光束拉伸。我们应用上述理论框架来预估红细胞在o p t i c a ls t r e t c h e r 中的变形响应，结合光学应力以及其他参数的具体表达可以求解模型中的平衡方程，然后可以计算出红细胞沿着激光光轴方向上的细胞变形并用T a y l o r 变形参数表示。不同的光学应力产生不同的变形。该模型可以估计拉伸变形过程中的力学响应，比如细胞大小的影响以及表面张力等。模拟结果显示所施加的光学应力与T a y l o r 变形参数之间的关系是非线性的，这也说明了红细胞的变形特性，
14、该模型还可以表征红细胞的力学性质。1 4 4利用光镊技术表征红细胞在不同渗透条件下的力学特性渗透条件是生物细胞的一个重要生理因素，研究证明它对一些类型细胞的力学性质有明显影响，但是对人类红细胞的效应还未知。为了探明这一问题，我们利用光镊技术来测量细胞拉伸过程中的力学响应，并用细胞建模方法来解释测得的实验结果。给定激光功率下的拉伸力与细胞变形可以分别经光镊力标定以及图像处理方法得到。此外，我们从基础理论框架中发展了针对低渗溶液中球形红细胞的力学模型，并用其来描述细胞变形特性，对于高渗和等渗溶液中两面凹的红细胞，有限元分析用来描述其细胞变形。在细胞力学模型中，我们简化了细胞与外界的相互作用使得形变
15、后的细胞外形呈轴对称。接触区和非接触区的控制方程与细胞注射情况类似，但是边界条件有所不同，求解控制方程后即可建立拉伸力与细胞变形之间的关系。同样，有限元分析中采用超弹性本征材料来表达红细胞第一章引言膜的力学行为，并得出了两面凹红细胞在不同作用力下的变形。结果对比表明模拟结果很好地拟合了实验数据，这说明细胞建模方法可以用来模拟光镊拉伸过程中的细胞变形，进而表征红细胞在不同渗透条件下的剪切模量。研究结果显示红细胞的细胞刚度随着渗透压的上升而增大，这证明渗透压对人类红细胞的力学性质有很大影响。总之，本论文重点在于提出一种一般化的细胞力学模型，并且该模型可以用来描述多种微操作过程中生物细胞的变形行为，
16、包括细胞注射以及o p t i c a ls t r e t c h e r 中和光镊中的细胞拉伸。此外，这一模型还可以应用于其他实验条件，比如两个大刚性平板间的细胞压缩以及c e l lp o k e r 或者原子力显微镜对细胞的压印等等。同时，此模型还可以表征生物细胞的力学特性，由于力学特性可以用作区分病态和正常细胞的生物指标，因此本论文工作在生物医药领域有广泛应用。1 5 总结本章介绍了本论文的研究背景，目前存在的问题，研究目的以及研究方法。本论文的重点是不同微操作实验技术中生物细胞的力学建模以及细胞力学特性的表征，比如细胞注射以及细胞拉伸。首先，我们提出了一个基础理论模型，该模型基于膜理论并且利用一般化的平衡方程来描述细胞生物膜的力平衡。在不同实验情况下，该基础模型结合不同的边界条件可以用来描述细胞的变形行为。模型中平衡方程数值求解后，探测力与细胞变形之间的关系随之确立。通过最小化模拟结果与实验数据之间的偏差，可以表征出细胞的力学特性。本论文的结构如下：第二章回顾了现有的细胞微操作技术以及细胞力学模型；第三章提出了细胞建模的理论框架；第四，第五以
