细胞体积调控细胞黏附和脱粘的力学机制

细胞与细胞外基质的黏附对细胞的许多生理功能有着重要的调控作用,比如细胞的迁移、细胞基底硬度的感知以及群体细胞的迁移等。目前很多关于细胞黏附的研究,都忽视了细胞与外界环境物质的交换而把细胞视为一个体积恒定的封闭系统。但是,有研究表明细胞体积在细胞动态黏附过程中会发生明显的变化,而且细胞体积的变化可以进一步影响许多细胞的生理功能,包括细胞的力学性质、蛋白质的合成、新陈代谢、细胞的迁移、增殖和分化等。因此十分有必要研究黏附过程中细胞体积的变化对细胞力学响应的调控机制。构建了一个理论模型来研究细胞与外界环境水和离子的交换如何影响黏附细胞的形貌和脱粘时的动力学响应。通过数值模拟发现,对于黏附在两平板间的细胞,依赖于细胞大小、可变形板的硬度、两平行板间的间隔和细胞与板间的黏附能密度,细胞有可能形成稳定的(内凹或者外凸)或不稳定的(自发破裂和崩塌)的黏附形貌,不稳定的形貌是直接由体积变化引起的。还给出了不同参数下细胞形貌分布的相图。此外,作为一个可以与外界环境交换物质的开放系统,细胞脱粘时的力学响应还与加载历史相关和加载速率相关。因此,本文结果指出了细胞与无活性系统间的重要差别。有许多研究表明黏附基底的力学和物理性质,比如基底的硬度、可黏附面积和黏附能密度的大小能够调控细胞增殖、干细胞的分化趋势等。但是这些性质能否调控黏附细胞的体积大小还不清楚。通过理论和实验研究,发现细胞在动态铺展时,体积随时间减小;而且黏附稳定时的细胞体积随着基底硬度、可黏附面积和黏附能密度的增大能减少40%以上。研究结果暗示着基底的力学和物理性质有可能是通过调控细胞体积而间接地调控细胞的生理功能,也意味着细胞体积调控在细胞趋硬和趋触过程中的重要意义。