细胞生长与增殖的生物力学实验研究进展

文章编号:　100427220(2004)0120061204细胞生长与增殖的生物力学实验研究进展

The Experimental Advance of Cell G row th

and Proliferation Biomechanics

曲华1,吴文周1,安美文1,滕维中1,赵永红2

(11太原理工大学应用力学研究所太原030024;21山西丰海纳米科技有限公司,太原030001)

摘要:　作者介绍了细胞力学领域中细胞分裂、细胞增殖方面的研究进展。着重介绍了基底加载各种参数对细胞

增殖的影响,机械拉伸对细胞粘附及生长的影响,力学环境对血管内皮细胞分裂过程的影响。

关键词:　生物力学;细胞增殖;细胞生长

中图分类号:　R 318101 文献标识码:　A

所有生物体的生长、分化、遗传输送、自身维护、恶性肿瘤以及生命的延续等都与细胞有关。在动物体内,细胞的生长、繁殖、分泌等行为与它们所处的力学环境是分不开的。细胞在正常的生理力学环境中能正常发挥其功能,但是,当细胞周围力学环境发生变化后,细胞的各种功能也随之发生变化。近年来国内外对各种体外培养细胞随应力(应变)的改变而发生变化的研究日渐增多。大致分为三个方面:(1)基底加载各种参数对细胞增殖的影响;(2)机械拉伸对细胞粘附、形态及生长的影响;(3)流体剪应力对血管内皮细胞分裂过程的影响。本文在这三方面对细胞增殖、细胞生长及细胞分裂的生物力学研究进展作一简要综述。

1　基底加载各种参数对细胞增殖的影响

细胞对细胞骨架或细胞周围产生的特定物理信号的敏感性决定了结缔组织对力学环境的功能适应性。力敏感性在骨修复、骨重建及干扰性骨生成[1～3]等方面有重要的意义。

施加应变的大小对细胞在组织水平上的响应有着很大的影响,Frost (1992)称1500

με为最小有效应变,该值是骨为了减少局部应变而进行塑建(modelling ),且改变其结构的最小值。当应变小于50

με时发生骨重建(remodelling )。Rubin 和Lanyon [4]的数据暗示出:给定时间内循环周期数在体内骨结构适应性中扮演了一个重要角色。火鸡尺骨实验得出:在生理应变范围内,周期数为4cycle 则足以保持骨质量,超过36cycle 时则使骨质量增加。另外,在体动物研究表明骨对生理范围内肌肉活动引起的高应变频率有响应[5]。小幅高频信号比大幅低频信号能更好地保持骨质量。可见,对骨作用的力学参数之间相互依赖、彼此影响。

Kaspar 等人[6]通过正弦应变信号对培养在硅树脂盘上的单层细胞进行四点弯曲均匀拉伸,与对照组比

较后发现:①人骨细胞的增殖依赖于动态应变加载循环周期的数目。当应变为1000με、频率为1Hz 、周期

数在1800cycle 时细胞增殖数目达到峰值,增加周期数至3600cycle 时细胞增殖数目却减少了。②当应变为收稿日期:　2003206224;　修回日期:　2003208228

作者简介:　曲华(1967～),女,博士生,讲师

通讯作者:　曲华,Tel :(0351)0351*******,E 2mail :quhua-930@https://www.wendangku.net/doc/7918566691.html, 1

6医用生物力学　2004年3月　第19卷　第1期

Journal of Medical Biomechanics ,Vol.19　No.1,March 2004

1000με、周期数为1800cycle 、

加载频率为10Hz 时细胞增殖数目达到峰值,增加频率至30Hz 时细胞增殖数目明显减少。但统计学观察不同频率的细胞增殖无重大差异。③当应变为1000με、刺激时间为5min 、频率

为1Hz (周期数为300cycle )时细胞增殖数目明显增加;频率为30Hz (周期数为9000cycle )时与低频(低周期数)情况比较细胞增殖数目明显减少。实验未发现细胞响应与骨细胞来源的个体差异之间的关系,此实验结果与生理学的结论一致。

随着周期数上升到1800cycle 细胞增殖趋势的增加与在体研究的观察一致:火鸡尺骨质量随着周期数的增加而增加;超过了生化决定的诱导控制信号通道的细胞数目所必需的周期数(1800cycle )而导致细胞响应减少的结果可通过激活细胞程序死亡的通道来解释。Rubin (1994)观察到鸟类尺骨细胞的增殖对高频力学信号的响应大于低频力学信号,说明当刺激时间为常数时频率的重要性。结论:应变、周期数与频率的适当组合才能达到一个有效的力学刺激。

2　机械拉伸对细胞粘附及生长的影响

在体成骨细胞受到剪切、拉伸、静压等复杂的体内力学环境的作用,模拟体内力学环境研究成骨细胞对拉伸应变的响应,认识力学因素对骨重建的作用很有意义。文献[7]采用四点弯曲梁实验装置对离体培养的大鼠成骨细胞施以拉伸应变,发现加载初期细胞粘附力急剧上升,4h 后下调,可能与细胞受到应力刺激后骨

架重排有关。加载24h (500

με)实验组细胞增殖比对照组快,成骨细胞的粘弹性参数较对照组底,细胞刚度减少,可能与加载后细胞骨架及细胞粘附调整有关。机械拉伸有利于成骨细胞生长,并可通过粘附、铺展调整平衡应变影响。

动脉的适应性反应是组成动脉壁的细胞和细胞物质感受各种作用力并作出反应的结果。血管平滑肌细胞是血管产生主动张力的细胞,在适应性反应中起主要作用。文献[8]研究了拉伸应变对血管平滑肌细胞(VSMC )形态变化的作用,发现机械拉伸刺激可加速VSMC 的粘附铺展,但对形态变化呈双向影响。细胞粘附、铺展是细胞表面与基底膜相互作用的结果,机械拉伸可通过促进细胞粘附铺展影响细胞生长、增殖,但超出细胞粘附力的拉伸刺激可导致细胞损伤、粘附面减少甚至脱落。文献[9]发现加载24h 后VSMC 增殖活动受到抑制,文献报道拉伸(基底膜伸长比27%)对动脉平滑肌细胞增殖无明显影响,却可使静脉平滑肌细胞增殖加快。VSMC 可通过调节细胞铺展行为、胞内应力纤维发育等主动机制,实现对机械拉伸的适应性改建。文献[10]研究了基底膜伸张应变对融合、非融合血管平滑肌细胞生长的影响,发现融合生长的细胞对应变刺激的响应以细胞重排为主,非融合生长的细胞对应变刺激的响应以细胞增殖为主。细胞数量的增加可以降低细胞平均受力水平,通过应力的均匀化分布来实现细胞重排。

3　力学环境对血管内皮细胞分裂过程的影响

311　流体剪应力对内皮细胞分裂过程、形态与持续时间的影响

内皮细胞层作为血流和动脉壁之间的界面在保持血管正常功能时有着非常重要的作用。它除了抗凝作用外,还可以控制血管状况、脉管生长、调节血管渗透性以及补充免疫细胞等,并具有重要的自修复能力。因无法监控特定细胞,故在体研究内皮细胞有丝分裂方面的文献较少,流体剪应力作用下离体培养的内皮细胞有丝分裂方面的文献较多。

动脉硬化损伤总是优先发生在内皮层功能改变的区域,内皮细胞有丝分裂对宏观分子的单层渗透性有重要的作用,一种可能是增强了细胞的转化,另一种是加速了细胞分裂、改变了内皮细胞的功能,从而增强了脂蛋白分子的渗透。

Ziegler 等人[11](1994)研究了流体及相关的剪应力对内皮细胞分裂过程的作用,他们使用平行板流动小室系统将一个7Pa 的剪应力施加在单层牛内皮细胞上(BAECs ),发现:①静态培养时分裂的BAECs 弯成弓形而脱离了与基底的粘附,但是如果预先处在流体中6h 以上,则细胞在整个分裂过程中都保持与基底的相26医用生物力学　2004年3月　第19卷　第1期

Journal of Medical Biomechanics ,Vol.19　No.1,March 2004

对粘附。②剪应力降低了内皮细胞的增殖率。③细胞在经历有丝分裂时F 2肌动蛋白非常散乱,而在胞质分裂期间F 2肌动蛋白集中在细胞的分裂沟附近(与静态培养时的细胞一样)。另外在静态培养和流体剪应力两种条件下测量持续时间,发现流体剪应力没有影响细胞分裂不同阶段的持续时间。细胞增殖与细胞形态有关,在体研究表明高剪应力作用的区域内皮细胞的增殖率很低,这点正好与低剪应力区域相反[12]。流体剪应力没有影响细胞分裂不同阶段的持续时间,但它改变了内皮细胞的形状和细胞骨架,可能是同F 2肌动蛋白的定位相关的。

细胞分裂期间肌动蛋白的分布非常重要。Sanger 用袋鼠Ptk2细胞研究表明肌动蛋白结构的四种不同的模式[13]:(1)分裂间期模式。肌动蛋白微丝定向平行于细胞的长轴方向。(2)集拢模式。肌动蛋白微丝束消失,染色体形成。(3)沟纹模式。肌动蛋白主要集中在分裂沟纹处。(4)细胞分离模式。胞质分裂期间分裂沟纹处肌动蛋白的作用同细胞卵裂纤丝滑动模型中肌动蛋白的作用是一致的。实验结果支持Sanger 的沟纹模式,即是肌动蛋白制造了分裂沟。

312　剪应力增加对半铺满内皮细胞有丝分裂的影响

体外研究半铺满内皮细胞相似于孤立(与相邻细胞无胞间联系)的且具有胞间粘附的细胞群。有丝分裂细胞完成分裂依赖于流体剪应力的大小和初始胞间粘附的存在[14]。

312.1　剪应力对胞间粘附的影响　当剪应力分别为0.00、0.28、1.41和3.30Pa 时,孤立细胞完成分裂为100.0%,66.6%,20.4%,11.9%,而相同条件下非孤立细胞完成分裂为100.0%,95.3%,69.5%,57.1%。可见非孤立细胞比孤立细胞完成分裂的百分比明显高,推测:非孤立细胞胞间粘附的存在促进了细胞复制的完成。当细胞被剪应力“拖走”时,胞间粘附提供了一个“固定或挽救”的作用,或者说剪应力与胞间粘附在流动方向上共同促进了胞质分裂时子细胞的分离。

312.2　剪应力对细胞与基底粘附的影响　一个较早的研究表明,高剪应力作用于半铺满的内皮细胞时诱导了一个粘着斑的分布,暗示了这些结构在保持粘附时的重要性。在静态培养条件下细胞与基底的接触面积在分裂间期和早前期是非常相似的(核膜完整、染色体可见),在中期和后期面积有减小的趋势。在剪应力分别为0.28,1.41和3.30Pa 时,粘附面积与静态培养时比较无明显差异。说明剪应力单独作用不足以改变有丝分裂细胞的粘附模式。

312.3　剪应力对有丝分裂循环时间的影响　对于有丝分裂来讲,保持同基底强烈的粘附以抵抗剪应力的“冲洗”的必要性可能会增加有丝分裂的循环周期。但实验结果表明剪应力组和对照组无论是事件之间的持续时间或者是从前中期到后末期的经历时间都未发现重大差异。表明剪应力不会改变有丝分裂的循环周期。

312.4　14h 预应力后细胞各参数的变化　在监控细胞之前给它一个14h 的预应力,然后继续观察8h 。发现当剪应力分别为0.28和3.30Pa 时,孤立细胞完成分裂为62.5%和0.0%,非孤立细胞完成分裂为95.4%和68.1%。可见在0.28Pa 下孤立与非孤立细胞完成分裂的情况相似于无预应力时30min 内观察到的现象。从中期前到中期所经历的时间在任意细胞群之间都未发现差异。

在0.1～0.5Pa 和0.03～0.07Pa 的低剪应力(层流)水平下,静态培养的细胞生长没有受到抑制,而在湍流下却发现细胞密度比较低。

比较剪应力下半铺满内皮细胞在玻璃基底下与塑料基底下的增殖情况,发现在剪应力超过3Pa 时留在塑料盖上的细胞比留在玻璃盖上的细胞大,但是高剪应力水平却使细胞密度减少。如果在样品中渗入

[3H]2thymidine 发现DNA 合成的损失小于细胞增殖率的损失,有可能是S 期细胞在剪应力下没有完成有丝分裂。

研究表明:随着剪应力的提高有丝分裂内皮细胞的“丢失率”上升,未被邻细胞“挽救”的有丝分裂细胞进入层流中,并在下游丢失。显然,基底在保持或促进粘附时是一个重要的因素。关于胞外基质分子,它提高了静态生长的内皮细胞的粘附、铺展和迁移。是否相对于剪应力基底需要变化?目前还未见到相关的文3

6曲华,等1细胞生长与增殖的生物力学实验研究进展

献。另外,为什么细胞对塑料基底比对玻璃基底的粘附更强?推测差别可能在于两表面上血清蛋白的吸收,或者细胞对不同的基底会合成不同的基质蛋白。

结束语:　应力2生长关系的研究是生物力学重要的课题,体内复杂的力学环境和生理生化过程,使我们无法控制单因素所造成的影响,幸而离体细胞培养技术为实现控制某些因素而研究细胞行为提供了可能。力学细胞生物学作为生物力学的一个微观分支正日渐引起人们的关注,它研究应力与细胞和组织的结构、功能及其生理学之间的关系。研究表明,能对应力刺激作出应答的有:软骨细胞、骨骼细胞、心肌细胞、上皮细胞和血管内皮细胞等。进一步了解其机制对认识力学环境中细胞和组织的生长、分化的调控机制、对骨折的治疗和康复都具有重要的意义和广泛的应用前景。但是,要建立一种科学的、能清楚表达和量化骨的生长与应力关系的模型,还有很长的路要走。

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