细胞粘附与迁移的力学行为及其定量关系研究

Cell adhesion and migration plays critical roles in many fundamental processes for the multi-cellular organisms, including not only physiological processes, such as morphogenesis, wound healing, and immune defense, but also pathological processes, such as cancer invasion and tumor metastasis. Recent experiments showed that the mechanical stimuli could regulate the behaviors of cell adhesion and migration. Currently, the mechanisms in the regulation are not yet clear, and there are many basic scientific questions remain to be solved. To address these scientific problems, we proposed to use an approach of combination of multiscale modeling and experimental studies to analyze the mechanical behaviors of cell adhesion and migration so as to find the effect of the mechanical stimuli on the cell behaviors. After that, we will be able to build the quantitative relation between the mechanical stimuli and cell behaviors as well as the relationship between cell migration behaviors and mechanics of cell adhesion. Finally, we intend to find the underlying mechanisms of regulation of cell adhesion and migration under the mechanical stimuli. This study might provide basis for understanding the key physiological and pathological processes, and new treatment strategies for vital diseases, such as thrombus and cancer.

细胞的粘附和迁移对多细胞有机体的形成和维持起着关键作用，并在许多生理和病理过程中扮演着重要角色，比如干细胞的分化、免疫应答、血栓的形成、肿瘤的发生和转移等。近年来大量的实验研究证明力学信号（如外力刺激和细胞外基质的力学性质）可以调控甚至支配细胞的粘附和迁移行为。目前，人们还不能完全理解力学信号调控细胞行为的力学机理，在该领域中还有很多基础问题有待解决。为了研究这些问题，本项目基于实验研究，利用多尺度（分子尺度、亚细胞尺度、细胞尺度）建模方法去分析细胞粘附和迁移行为中的关键力学问题，研究力学环境影响细胞行为的规律。同时，建立力学刺激对细胞行为影响的定量关系，建立细胞迁移行为与细胞粘附性质的定量关系，阐明力学信号调控细胞粘附和迁移行为的力学机理。本项目将为理解许多重要生理和病理过程中的力学生物学规律提供理论基础，为血栓、癌症等重大疾病的治疗提供新的思路。

本项目基于实验和多尺度建模方法研究了力学环境对细胞行为的影响，并阐明力学信号调控细胞粘附和迁移行为的力学机理。 在细胞力学行为的力敏感机理及其相关的分子力学机理两个方面取得了国内外有影响的研究进展和成果：1）提出了细胞与基底相互作用的“力与距离”关系率；2）发现了细胞迁移的力学机理并定量研究了细胞形状和基底刚度对细胞迁移行为的影响；3）发现了细胞极化和排列行为的驱动力并给出了定量描述；4）发现在低加载速率下单分子断裂力不再依赖加载速率；5）发现了腺苷酸激活酶构型转变过程中的重要中间构型；6）发现了细胞膜融合过程中膜开孔的物理机理。研究成果发表在生物力学、物理和材料的重要杂志《PRL》, 《JMPS》,《Annu. Rev. Biophys.》和《Biophysical Journal》等上。共发表论文28篇，其中SCI论文26篇。已培养博士2名，硕士5名，其中1名博士获得北京理工大学优秀博士学位论文。正在培养博士7名，硕士3名。2016入选科技部中青年科技领军人才；2017 年获中国力学学会科学技术奖自然科学奖二等奖。