可折叠微板上的细胞牵引力检测及其3D建模分析

The traction forces generated by cells (CTFs) play a vital role in many biological processes such as cell differentiation, migration, and angiogenesis. Force-sensing techniques for CTFs measurement have been developed, including cell tension force microscopy and micropillars force sensor array. These techniques are mainly applied in determining CTFs in The two-dimensional planar; however this is different from the actual three-dimensional (3D) environment in vivo. How to detect CTFs in 3D environment is still to be developed and improved in cell mechanics research field. In 2012, Fumiaki from University of Tokyo harnessed CTFs to fold the parylene film into 3D microstructures. In this project, the Fumiaki’s method will be used to culture cells onto the origami structure, and the relationship between the folding angle and moment, M=M(θ), will be deduced using the theory and finite element method. A model, the special function of microfilament distribution density in the particular 3D configuration, will be established to describe the cell contraction force based on the analysis of the cytoskeleton images. This exploration of CTFs in the 3D environment may provide a novel analyzing method and basis for studying biological processes related to CTFs in vivo.

细胞牵引力在诸如细胞分化、迁移、血管生成等很多生物学过程中发挥了重要作用。目前检测手段主要采用细胞牵引力显微镜和微柱力传感器阵列技术。这些技术主要应用于细胞在二维环境中牵引力的检测，而原位细胞生存的微环境为三维结构，如何实现细胞在三维空间中牵引力的检测仍是细胞力学研究中需要解决的问题。2012年东京大学Fumiaki 等利用细胞牵引力将聚对二甲苯薄膜折成了三维立体结构，本项目拟采用类似的方法将细胞接种到这种折纸结构上，用理论及有限元方法导出其折叠角和所需弯矩的关系M=M(θ)，并利用该关系式、通过对细胞细胞骨架的荧光图片分析，建立细胞在特定三维构型时的微丝分布密度函数模型及微丝收缩力模型，计算出细胞的牵引力分布，探索细胞三维生物力学建模分析的新方法，为研究与细胞牵引力相关的生物学过程提供分析手段和依据。

细胞牵引力在诸如细胞分化、迁移、血管生成等众多生物学过程中发挥着重要作用。建立细胞可折叠微板实验系统和发展定量分析细胞骨架张力的理论计算模型，可为研究与细胞牵引力相关的力学生物学过程提供重要的分析手段和依据。本项目采用实验和理论相结合的方法对有关的问题开展了以下研究：利用生物材料构建可用于分析细胞牵引力的细胞可折叠微板实验系统；基于张拉整体结构法研究了细胞不同铺展程度对CSK整体刚度的影响；应用理论计算法研究了细胞在重力作用下发生形变时的细胞膜张力的变化规律；定量研究了Hela细胞在原子力显微镜 (Atomic force microscopy, AFM) 下的不同作用位点的表面弹性模量；基于AFM实验数据所建的单细胞有限元模型，定量研究了细胞主要组成结构对细胞整体刚度的影响；给出了可折叠微板上的细胞牵引力 (Cell traction forces, CTFs)的计算公式；基于张拉整体结构法提出了cell origami的有限元模型，定性分析了CSK和NSK对微板折叠角的影响。本项目研究能为生物技术的应用及细胞3D结构的分析和基于细胞的医疗微设备的组装提供新思路。