体外培养细胞应力加载模型

第四节　体外培养细胞应力加载模型

研究细胞在机体生理状态下对应力的各种反应是较为理想的，但体内众多的环境因素包括体液静压力、流体切应力、电流及生化环境，使体内研究难以区别力学因素的单一效应或是联合效应。这就需要在体外将特定的应力因素作用于细胞，探讨细胞对机械应力的各种力学响应机制。研究显示人体及动物体内细胞的增生、分化、迁移、凋亡等生物学过程受到包括力学因素在内的多种环境因素的影响，力学因素直接决定细胞的生物学表达，进而影响细胞的形态、结构、生长及功能。目前力学生物学研究已成为细胞生物学的一个热点领域。细胞在体内受到静态或动态的生理应力，从而出现生理生化的改变。其中，牵张力是决定细胞形变和功能的主要因素。在不同的张应力作用下细胞骨架的所有构件发生整体重排，导致细胞发生形变，细胞形状的改变发出信息并向胞核内传递而产生不同结果。

机械应力的刺激对活细胞的生长、结构和功能起着重要的调节作用。作用于细胞机械力的刺激方式对细胞各种功能的正常发挥十分重要，其中拉伸刺激是一种重要有效的力学刺激方法。有研究证明适当大小及频率的拉伸刺激能促进细胞的增生。机械拉伸的方式有很多种，包括水平拉伸、轴向拉伸、双向拉伸、基底膜形变拉伸等。该研究实验设计的周期性拉伸加载装置属于圆形基底膜形变加载装置。基底膜形变加载技术的基本原理是将所要研究的细胞培养在弹性膜上，待其生长到一定程度后将机械拉伸力作用于弹性膜。由于细胞贴壁生长，因此应力通过拉伸弹性膜使其形变而传递给细胞。系统工作时检测的指标是压力，而最终需要转化成硅胶膜的拉伸幅度这一参数。通过对硅胶膜片的应力分析，真空封闭腔内外气压差与基底膜变形后的径向长度的对应关系可通过编写设备的内部嵌入程序精确求得。真空泵抽吸弹性基底膜使之发生拉伸应变，圆形基底膜由于周边固定，其中心和外周部分所发生的变形不尽相同，中心大而外周小，故细胞在弹性膜上受到的牵拉作用并不均匀。如果需要细胞受力均匀，可以在真空基板内放置6个大小一致的圆柱形支撑柱，与六孔板弹性膜中央部分约有75%接触，使加载过程中基底仍保持一个平面。在基底膜上产生均匀的双轴等应变，所有细胞均处于相同的应变场中，从而对细胞进行均匀的径向和圆周应力加载，以模拟细胞在体内的应力环境。

有研究通过对大鼠血管平滑肌细胞的加载观察，该加载装置工作情况稳定，加力控制器可以有效控制拉伸加载力值、牵张时间、松弛时间，同时工作时间具备一定的自动化，实现对实验细胞的周期性拉伸刺激。实验结果采用MTT（四甲基偶氮唑盐）法检测细胞的增生活力，其原理为活细胞线粒体中的琥珀酸脱氢酶能使外源性的MTT还原为不溶性的蓝紫色结晶物甲瓒并沉积在细胞中，而死细胞无此功能。结果显示血管平滑肌细胞拉伸加载后在细胞培养板中生长良好并且有增生活性，由此证明本实验装置的研制是成功的。细胞拉伸加载装置可操作性强，控制简便，软件设置精度高，能提供比较宽范围的应力值和频率，符合多种实验研究的需要。创新处在于推导了压力和硅胶膜形变的关系，为实现对形变的准确控制奠定了基础。