周期性拉伸对人肺腺癌细胞增殖及其力学性质的影响

摘要

细胞是生命的实体和生命的基本单位，几乎所有的有机体都是由细胞和细胞的产物所组成。细胞力学是近十几年来生物力学领域中发展迅速的一个前沿课题。众所周知，细胞的形态、结构及其功能，细胞的生长、发育、成熟、癌变、增殖、衰老及死亡，细胞的分化及其调控机理，都和细胞的力学特性有着密切的联系。细胞力学过去几十年集中于红细胞，近几年研究重点转向成骨细胞、内皮细胞、肺细胞、肝癌细胞及多种细胞的相互作用等。 肿瘤作为一种恶性疾病，严重地危害人类健康，已经成为人类生命的第二号杀手。其恶性表现之一就是它的侵袭转移性，这是引起肿瘤晚期恶化，导致死亡的直接原因。周期性拉伸对人肺腺癌细胞增殖及其力学性质的影响，无论对临床医学或是基础理论来说，研究并阐明肿瘤细胞侵袭和转移的机制都是头等重大的课题。 本文采用细胞力学等方法研究周期性拉伸刺激对人肺腺癌细胞的增殖率和弹性、粘弹性性质的影响并对人肺腺癌细胞对力学信号的响应机理作了探讨。主要工作结论如下： 1.通过计算机控制的FX-4000柔性基底加载系统研究了在不同波形、不同频率、不同拉伸幅度及不同持续时间下周期性拉伸应变对人肺腺癌A549细胞株生长增殖的影响，使用CMS800真彩显微图象分析系统，应用Image-pro软件对细胞的增殖动力学变化进行了分析。实验发现：(1)在胶原蛋白(collagenⅠ)基底膜上，应变0～20％，加载时间2h时，频率30次/min及60次/min的拉伸，方波刺激组细胞增殖率明显受到抑制(P＜0.05)，而正弦波、心形波及三角波拉伸组细胞增殖率与对照组比较无明显差异；(2)在胶原蛋白Ⅰ基底膜上，应变0～20％，加载时间2h时，对于方波刺激，20次/min的频率刺激组细胞增殖率与对照组比较无明显差异，而30次/min、40次/min及60次/min的频率刺激组细胞增殖率明显减少(P＜0.05)，可见，高频比低频在抑制A549细胞株增殖方面作用明显；(3)在胶原蛋白Ⅰ基底膜上，应变0～20％，频率0.5Hz，加载时间2h时，对于方波刺激，拉伸幅度为15％、20％及25％的刺激组细胞增殖率与对照组比较均明显降低，而三种不同拉伸幅度实验组之间细胞增殖率无明显差异。 研究证实：A549细胞株对体外的生理应变作出响应时，方波作用下频率越高、加载时间越长的拉伸刺激对细胞增殖的抑制效果越明显。提示波形、频率与时间的合理组合在抑制肿瘤细胞生长增殖的过程中起着重要的作用。 2.利用微管吸吮技术研究了肺腺癌细胞的被动变形特性 (1)首先测量了不同加载组[对照组，程式1(方波、15％、0.5Hz、4h)，程式2(方波、1.5％、0.5Hz、4h)，程式3(正弦波、15％、0.5Hz、4h)，程式4(正弦波、1.5％、0.5Hz、4h)，均使用胶原蛋白基底膜(collagenⅠ)]中单个细胞在不同负压下的吸入长度，采用线弹性半无限体模型对实验结果拟合得到了不同加载组肺腺癌细胞的杨氏弹性模量统计值，结果表明：程式1加载组的杨氏弹性模量E与对照组比较明显降低(P＜0.05)，而程式2、程式3、程式4加载组肺腺癌细胞的杨氏弹性模量E与对照组比较无显著性差异。 首次得出：方波(15％、0.5Hz、4h)的拉伸使肺腺癌细胞的变形能力提高。 (2)测量了不同加载程式[对照组，程式1(方波、15％、0.5Hz、4h)，程式2(方波、1.5％、0.5Hz、4h)，程式3(正弦波、15％、0.5Hz、4h)，程式4(正弦波、1.5％、0.5Hz、4h)]周期性拉伸后肺腺癌细胞在阶跃负压作用下吸入长度随时间的变化过程，采用标准线性粘弹性模型研究了肺腺癌细胞的粘弹性特性，得到了不同加载组肺腺癌细胞的三参数统计值，结果表明： ①程式1加载组弹性系数K1与对照组比较明显降低(P＜0.001)，程式3加载组弹性系数K1与对照组比较明显降低(P＜0.01)，程式2、程式4加载组弹性系数K1与对照组比较无明显差异。 ②程式1加载组弹性系数K2与对照组比较明显降低(P＜0.01)，程式3加载组弹性系数K2与对照组比较有所降低(P＜0.05)，程式2、程式4加载组弹性系数K2与对照组比较无明显差异。 ③程式1加载组粘性系数μ与对照组比较明显降低(P＜0.05)，程式2加载组粘性系数μ与对照组比较有所增加，程式3、程式4加载组粘性系数μ与对照组比较无明显差异。 ④程式1加载组初始变形程度[1/(K1+K2)]与对照组比较明显增加(P＜0.001)，程式2、程式3、程式4加载组初始变形程度[1/(K1+K2)]与对照组比较无明显差异。 ⑤程式1加载组最大变形程度(1/K1)与对照组比较明显增加(P＜0.01)，程式3加载组最大变形程度(1/K1)与对照组比较明显增加(P＜0.05)，程式2、程式4加载组最大变形程度(1/K1)与对照组比较无明显差异。 ⑥程式1加载组细胞蠕变时间常数[(K1+K2)·μ/K1K2]与对照组比较明显降低(P＜0.01)，程式2加载组细胞蠕变时间常数[(K1+K2)·μ/K1K2]与对照组比较有所升高，程式3、程式4加载组细胞蠕变时间常数[(K1+K2)·μ/K1K2]与对照组比较无明显差异。 实验证实：方波在一定的拉伸幅度下(15％)能够破坏A549细胞微丝的排列方式，结果使方波(15％、0.5Hz、4h)加载组肺腺癌细胞的粘弹性常数K1、K2和μ值均大幅度减小。正弦波(15％、0.5Hz、4h)加载组肺腺癌细胞的弹性常数K1、K2有小幅减少，粘性系数μ无明显改变。另外两加载组(方波、1.5％和正弦波、1.5％)细胞的粘弹性没有发现规律性的变化。可见波形与拉伸幅度的选择对细胞粘弹性的改变同样重要。另外，方波、15％的加载程式在显著抑制A549细胞的增殖行为的同时，使A549细胞的粘弹性常数K1、K2和μ明显减小。 由此得出：细胞相对增殖指数最小时也正是细胞的粘弹性常数发生显著改变的时期。可见，通过力学加载可以改变细胞的粘弹性特征，从而达到抑制肿瘤细胞增殖的目的。 本文的研究结果进一步揭示了肺腺癌细胞生长、转移过程与肺腺癌细胞力学特性的相关关系，为临床上肺癌的预防和治疗提供一定的基础数据。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章人肺腺癌细胞的体外培养

第三章周期性拉伸对人肺腺癌细胞增殖的影响

第四章周期性拉伸刺激下人肺腺癌细胞的粘弹性研究

第五章全文工作总结及展望

[参考文献]

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

附录：实验中所使用的各种加载波形

独创性声明