细胞黏附性堆积与自组装结构的研究

The cause and physical character of cell stacking and self-assembling structures are the key problems when investigating biological tissues. It has reported that the competition between the curvature elastic energy and the adhesion energy of cell membrane determines the equilibrium shapes of single cell and few cells' adhesion systems. However it is unknown whether this theory can successfully be used to explain how the biological tissues are formed by plenty of cells stacked together. So it is very significant to study the mechanical properties and formation mechanisms of biological tissues through extending the present adhesion theory which bases on two cell adhesion into a more general case: plentiful cells adhered together. In this study we concentrate on the following three parts: (1) Introducing the point group theory in the solid physics into the cell stacking system and making use of the free energy minimizing method to construct the model of the system, then using the equilibrium shape equations of the system to study the mechanical properties of different stacking structures formed by the same cells; (2) Making used of the quasicrystal theory to study the adhesive stacking system formed by the same kind of cells with different size; (3) Simulating the stacking structures formed by plentiful cells with different kinds and configurations, searching the most stable self-assembling structure and exploring the phase transformation processes; This study will reveal the reason of the formation of cell self-assembling structures and their physical characters, and our results will potentially be used in agriculture and medical treatment.

细胞堆积与自组装结构的成因及物理特性是生物组织研究中的核心问题。研究表明细胞膜的曲率弹性能与黏附势能之间的竞争决定了单体或少体细胞黏附结构的平衡形态。然而能否利用这一理论来解释细胞是如何大量地黏附在一起形成生物组织的，目前还是一个未知问题。因此将建立在两个细胞黏附基础上的细胞黏附理论推广到大量细胞黏附的过程中去，研究生物组织的力学性质和形成机理，具有重要的学术意义。本项目包括三个方面：(1) 将固体理物理中的点群理论引入到细胞堆积模式中，由其自由能极小化入手建立起相应的理论模型，通过求解平衡方程研究同种细胞的稳定堆积模式及力学行为；(2) 借鉴准晶理论，研究不同大小的同种细胞的黏附性堆积系统；(3) 模拟大量不同形态和不同种类细胞的堆积系统，寻找最稳定的结构，研究不同结构之间的相变过程。本研究将揭示细胞自组装结构形成的物理机制及相关物理特性，其结果将可能在农业及医疗领域得到应用。

生物组织可被看作是由大量的细胞黏附性堆积形成的自组装结构。研究此类结构的形成机制及物理特性，将揭示结构与功能之间的内在联系。其结果将有望在生物组织工程与再生医学中得到应用。本项目利用生物膜曲率弹性能理论研究了细胞黏附性堆积系统，主要内容和结果如下： . (1)研究了二维情况，细胞在两块平板间的黏附行为。首先在无体积约束时，得到了结构的失效强度参数。其次模拟计算了有体积约束时的平衡结构，得到的相图表明其大部分区域都被不具有对称性的形状所占据。同时得到的力与板间距的关系与实验结果相符。并揭示了细胞具有在黏附的作用下挤进狭窄的缝隙或管道的行为。. (2)将固体理物理中的点群理论引入到细胞堆积模式中，研究了二维堆积结构。首先通过模拟计算获得了多种典型多体系统的稳定结构。其次，在无体积约束时，研究了数种周期性黏附结构的平衡形态，获得了组织的宏观力学参数与细胞力学参数之间关系的解析表达式。最后，对有体积约束时的数种周期性结构进了模拟搜索，获得了稳定结构，并研究了典型结构之间的相变行为。这些结果与植物细胞的自组织结构一致。. (3) 模拟研究了典型的细胞三维黏附结构。首先研究了无体积约束时的两种典型形态，获得了相应的稳定结构。其次，研究了红细胞的黏附行为，典型参数下的计算表明稳定结构并不具有旋转对称性，这一结果与实验现象一致。再次，研究了10个细胞构成的念珠状黏附结构。发现体积增大会导致旋转对称形态转变为 zig-zag形态。并得到了稳定的螺旋形结构。这些结果与链球菌和螺旋藻的形态一致。最后，首次利用细胞黏附模型研究了桔子形态的形成机制，所得结果与实验一致。.