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利用光镊研究生物细胞的力学行为

吴建光  
【摘要】:生命科学是研究生命现象、生命活动的本质、特征和发展规律的自然科学,与人类生存、人民健康以及社会发展有着密切的关系,是当今全球范围内最受关注的基础自然科学。其中,细胞生物学是生命科学的基础学科之一,它是以细胞为研究对象,从细胞的整体水平、亚显微水平以及分子水平等三个层次,研究细胞和细胞器的结构和功能。活细胞的新陈代谢、跨膜转运、信号转导等生命活动,都是细胞与其他生物大分子(如蛋白质、多糖、核酸等)相互作用的结果,在这些相互作用过程中,细胞和大分子的力学行为会发生不同的变化,换句话说,细胞和大分子的力学行为变化可以反映其功能及活动规律。传统的细胞生物学和分子生物学研究,大都是基于生物化学或药理学实验中的一些分子浓度变化而做出的,是许多细胞或分子活动的一个平均结果,往往掩盖了各个分子的个性,因此特别需要从单细胞、单分子的层次上研究其活动规律。 生物学研究不但依赖物理、化学知识,同时还依靠后者提供的实验仪器和研究手段,例如蛋白质电泳仪、光学和电子显微镜、断层扫描仪等等。而在单细胞、单分子层次上进行细胞生物学研究,光镊是一项非常适合的技术。事实上,光镊自诞生起就和生物学紧密相连,由于其独特的技术特点,一直以来被生物学家所青睐。目前,光镊已成为细胞生物学和分子生物学研究中重要的工具。 光镊可以捕获和操控几十纳米到几十微米大小的粒子,它还可以作为微小力力的探针,测量皮牛亚皮牛量级的力,正好可以用来研究生物细胞的力学行为,以及细胞与生物大分子如蛋白质等的相互作用等,进而从单细胞层次上揭示细胞生命活动的基本规律。 在本文的工作中,将光镊技术应用于细胞生物学力学行为的研究领域,即利用实验室的光镊技术平台,进行细胞力学性质的测量研究,主要研究了免疫细胞对靶细胞的特异性识别,对细胞表面受体分子与抗体分子间的相互作用进行了测量,从理论和实验两个方面研究了渗透压对红细胞变形性质的影响,另外,为了更加方便的研究生物细胞的膜弹性行为,发展了新型的光镊技术。 免疫是人体的一种生理功能,人体依靠免疫细胞识别外来抗原,产生特异性免疫应答,来维持机体健康。NK细胞是免疫细胞的一种,自发现以来逐渐成为免疫学领域的一个热点。NK细胞活化过程的分子基础非常复杂,简单可以描述为效应细胞与靶细胞相互作用,效应细胞表面分子识别靶细胞上的配体,形成免疫突触,最终杀伤靶细胞。K562是NK92细胞的杀伤敏感细胞,然而对于这对细胞的识别和杀伤机制一直不清楚,我们利用光镊捕获NK细胞与靶细胞接触,实时观察NK细胞对靶细胞K562的杀伤作用,发现K562细胞发生形变,表面出现巨大囊泡,但细胞膜没有破裂。研究结果可能有助于揭示NK92对K562的杀伤机制。 免疫细胞的活化与其表面受体分子有紧密的关系。淋巴细胞功能相关抗原-1可能是NK细胞识别杀伤靶细胞的早期参与者,LFA-1是在CTL介导靶细胞杀伤实验中发现的,它与机体自身免疫疾病以及肿瘤复发等密切相关。我们利用光镊研究了NK细胞表面LAF-1的单分子行为,发现NK细胞与包被了LFA-1抗体的小球之间的结合力随二者接触时间的延长而增强,表明NK细胞表面LFA-1分子可能会受LFA-1抗体影响而发生局部聚集。我们的研究不仅提供了一种实时观察单细胞间相互作用的方法,还建立了研究单分子对细胞活动影响的研究方法,推测存在一种新的诱导LFA-1分子活化的信号传导模式。 人类的红细胞没有细胞核,有着相对简单的结构,同时具有轴对称的形状,经常作为细胞力学模型而被研究。红细胞的变形对血液流动有着重要的影响,与一些疾病也有着直接的关联。由于红细胞的变形受到周围环境如渗透压、pH值等因素的影响,因此我们利用光镊技术对不同渗透压下红细胞的形变特征进行了研究,发现等渗条件下双凹形的红细胞形变能力最强,渗透压降低时,红细胞形变能力下降,其主要是由于细胞形状的改变造成的,而在高渗条件下,细胞变形能力同样减弱,主要原因是细胞内液粘度呈指数增加。另外,我们还利用ABAQUS有限元软件对不同形状的红细胞变形进行了模拟,模拟结果与实验结果基本相符。 光镊研究细胞膜弹性常用的方法是利用小球做手柄来拉伸细胞,实际上,细胞被光阱捕获时形状会发生微小变化,如果细胞处于阱位不断变化的光阱中,其形变就会比较大而可以很容易的测量。根据这个思想,我们利用旋转玻片实现了分时复用多光阱,利用该分时复用多光阱研究了红细胞的变形特点,同时还实现了多粒子的捕获,并从理论和实验两方面研究了不同切换频率下的有效光阱刚度。 本实验室一直以来以光镊技术研究为主,在生物学应用中,一直采取物理学提供工具、生物学提供样品的合作方式,但由于受到样品条件的限制,很多研究未能继续深入下去就草草结束。因此我们建立了自己的生物细胞培养室,创造生物样品制备条件。目前已经可以成功的培养Hela细胞并进行相关实验。 本论文的创新点在于利用光镊技术在单细胞层次上研究生物细胞的力学行为,包括细胞膜的变形规律、免疫细胞的特异性识别机制以及细胞表面分子和抗体分子间的相互作用,研究结果可以为阐明细胞生命活动的基本规律提供帮助。另外,还发展了新的产生多光阱的方法,可以在细胞力学行为研究中得到应用。


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