基底力学性质对细胞体积的影响

In the last few decades, it has been found that cell volume plays a critical role in cell migration, proliferation, and death. Many interesting phenomena have been discovered, but the mechanism for cell volume regulation under mechanical forces still remains elusive. Especially, there is no experimental or theoretical work to study how the mechanical properties of substrate affect cell volume during cell spreading. Therefore, based on our previous mechanobiological model about the mechanism of cell volume and pressure regulation, we will set up a cell spreading model to study how the mechanical properties of substrate influence the cell volume after the cell spreading reaches a steady state. We will further fabricate PDMS substrate with various stiffness and adhesion energy density. And we will measure the relation between the mechanical properties of PDMS substrate and the cell volume so that we can compare our theoretical predictions with experimental results. The result of this project will deepen the understanding of cell adhesion and cell spreading. It will also provide useful information for durotaxis and the influence of mechanical forces on gene expression.

近年来，细胞体积在细胞增殖、迁移、死亡等过程中的重要作用引起人们的日益关注。大量的实验研究发现了很多有趣的现象，但是在外力的作用下细胞体积改变方面的研究还处于起步阶段。特别是到目前为止，还没有任何实验或者理论研究过基底的力学性质对细胞体积的影响。因此，本项目将根据我们前期已经建立的关于细胞体积和压力调控机制的基本理论框架，建立一个关于细胞铺展的基本模型，研究当细胞达到稳定的贴壁状态之后，基底的力学性质，如粘附能密度和基底的弹性模量，对细胞体积的影响。同时，使用PDMS制造具有不同粘附能密度和弹性模量的基底，系统测量当细胞达到稳定的贴壁状态之后，细胞体积对基底力学性质的依赖关系，对我们的理论预测进行实验验证。本项目的研究成果不仅能够加深人们对细胞粘附和细胞铺展的认识，也将为理解生物系统中的一些力学相关的现象，如硬度趋化、机械力对细胞的基因表达的影响等，提供有益帮助。

基于我们提出的关于动物细胞体积和压力动态调控的基本力生物学框架，本项目建立了一个关于细胞铺展动态过程的基本模型，研究了当细胞达到稳定的贴壁状态之后，基底的粘附能密度、可粘附面积及弹性模量对细胞体积的影响，并通过调节PDMS和PA基底的形成条件控制其力学性能，对我们的理论预测和数值计算进行实验验证。此外，基于细胞体积和压力动态调控的基本力生物学框架，我们还通过理论建模与实验验证提出了细胞在受限空间内迁移的一种新机制。