IMECH-IR  > 国家微重力实验室
微重力效应下流体剪切所致的免疫细胞粘附动力学
Alternative TitleKinetics of Cell Adhesion Induced by Fluid Shear under Microgravity
王成之
Thesis Advisor龙勉
2017
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline一般力学与力学基础
Abstract空间环境下重力水平的改变会导致空间飞行中航天员体内免疫功能抑制或调节异常。微重力环境中,物理学上因为重力依赖的自然对流、沉降现象趋于消失,导致免疫细胞生存的力学环境(如细胞与外界之间的物质交换条件)发生变化而不同于地面的常重力环境;生物学上细胞自身受到重力消失这一力学刺激也会使细胞从内而外做出相应的变化或者响应,如细胞骨架因为受力状态不同表现出和常重力环境中截然不同的表型、细胞内信号通路的变化导致下游一系列蛋白分子表达差异等。这些物理和生物学上的变化直接或间接地引起免疫细胞生物学行为的改变,进而对免疫功能产生异常影响。 目前,在已有文献报道中上述一系列变化的规律和作用机理尚不清晰,而且存在部分免疫细胞相关研究不够深入的问题,因此本文以特定细胞作为研究对象,依靠不同实验平台设计硬件和相关实验内容,对免疫细胞如何响应微重力效应进行了研究。本文工作主要分为以下三部分: (1)采用商业化的旋转式细胞培养系统(Rotating cell culture system, RCCS)模拟微重力效应并在该实验条件中培养人早幼粒白血病细胞(Human promyelocytic leukemia cells, HL-60)及由其分化而来的中性粒表型HL-60细胞,通过对培养后的细胞进行相关生物学检测及流动腔功能性实验考察模拟微重力效应对细胞生物学行为和功能上的影响。实验结果表明细胞在受到模拟微重力效应影响后细胞形态会发生相应改变,如细胞圆度和细胞面积出现上升,这说明细胞骨架可响应力学刺激并开展重建。细胞增殖、凋亡和细胞周期没有发生显著性变化,但白介素-8(Interleukin-8, IL-8)和单核细胞趋化蛋白-1(Monocyte chemoattractant protein-1, MCP-1)的分泌表达显著上升。细胞粘附分子中淋巴细胞功能相关抗原-1(Lymphocyte function-associated antigen-1, LFA-1)和巨噬细胞抗原-1(Macrophage-1 antigen, Mac-1)表达上升,P选择素糖蛋白配体-1(P-selectin glycoprotein ligand-1, PSGL-1)表达下降,并导致流动腔功能实验中相应的细胞滚动速度和粘附比例的变化。 (2)设计了符合本文实验需求的恒温流动腔实验设备并搭载在欧空局的抛物线飞机上,第一次在抛物线飞行时进行了相关动态实验并验证了仪器设备的可靠性和稳定性,建立了一个在短时程微重力环境中进行相关生物学实验的平台。整套实验装置最多可以包含10个实验单元,每个实验单元包括1套流动腔系统及成像装置和最多2个注射泵。在抛物线飞行中可以根据实验需求调整注射泵及录像设置,并且同时获得多条件多通道下的实验录像用于后续分析。本次实验中发现微重力影响下Jurkat T淋巴细胞在对应粘附分子包被的底板上运动速度显著性上升,说明在微重力作用下细胞与底板的相互作用减弱。 (3)依据“实践十号(SJ-10)”微重力科学实验卫星实验条件设计加工了一套满足独立运行监控需求的实验箱。实验箱内维持37°C恒温环境培养细胞,通过事先设置好的程序自动控制实验箱内泵阀系统可以完成3-10天的细胞培养过程,包括细胞状态拍照、细胞换液、收集上清、细胞清洗和固定等程序,同时监控实验箱内温度、湿度、培养液pH值、气压等参数。在卫星飞过地球测控站顶部时向地面回传数据用于分析实验状态,在必要的时候可从地面测控站上传相关指令改变实验进度。实验中选取人脐静脉内皮细胞融合细胞(EA.hy926细胞)为实验对象,研究细胞对微重力的响应。研究结果发现微重力下细胞骨架中肌动蛋白(Actin)和微管蛋白(Tubulin)表达下降,波形蛋白(Vimentin)表达上升。进一步影响NF-B信号通路和PI3K/AKT信号通路并导致下游分子表达发生变化,细胞表面粘附分子E选择素(E-selectin)、细胞间粘附分子-1(Intercellular adhesion molecule-1, ICAM-1)、血管细胞粘附分子-1(Vascular cell adhesion molecule-1, VCAM-1)和血小板内皮细胞粘附分子-1(Platelet endothelial cell adhesion molecule-1, PECAM-1)均出现了表达降低的情况,而1整合素(1-integrin)的表达上升;细胞外基质中胶原I(Collagen I)的分泌降低而纤维连接蛋白(Fibronectin)分泌上升;同时小窝蛋白-1(Caveolin-1, Cav-1)和内皮型一氧化氮合酶(Endothelial nitric oxide synthase, eNOS)的表达下降也导致了NO2-分泌的下降。 综上所述,本文分别采用RCCS旋转培养器、抛物线飞机实验平台和SJ-10微重力科学卫星实验平台,从地面模拟微重力效应到空间短时程微重力环境再到空间长时程微重力环境中进行了不同时长和不同微重力实现方式下的生物学实验,比较深入地考察了微重力效应对细胞及流体剪切所致的免疫细胞粘附动力学影响及其内在机制。同时相关硬件的研制也积累下了宝贵的空间工程和生物学经验,可以为以后相关空间实验硬件研制和方案设计提供指导和帮助。 关键词:微重力,模拟微重力效应,RCCS旋转培养器,抛物线飞机,SJ-10微重力科学卫星,免疫异常,流体剪切
Call NumberPhd2017-016
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/60414
Collection国家微重力实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
王成之. 微重力效应下流体剪切所致的免疫细胞粘附动力学[D]. 北京. 中国科学院大学,2017.
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