电离辐射前后肿瘤细胞在四维时空中生长模式的实验比较和建模分析

This project combined biological experiments and mathematical modeling, through the study on tumor cell growth patterns in the four dimensions (three-dimensional space plus time) before and after radiation, to make early basic research for the clinic new idea of "survival with tumors". Different from conventional radiobiological experiments, we used three-dimensional cell cultures in vitro to imitate the mechanical environment of the tissue in vivo where tumor grows, and tracked the cell movement by confocal microscopy. We applied experimental techniques of soft matter to identify the cell spatial distribution, track the cell movement, and calculate the interaction between the cells. Furthermore, we analyzed the experiments of tumor cell growth quantitatively by mathematical means, and then applied the analyazing results into the dynamic model for the systematic research on the growth pattern of tumor cells.

本项目结合生物实验和数理建模，通过对电离辐射前后肿瘤细胞在四维时空（三维空间加时间）中生长模式的研究，为探索临床"带瘤生存"新思路做前期基础研究。有别于常规放射生物学实验，我们用体外三维细胞培养来模拟体内肿瘤细胞生长的组织力学环境，并用共聚焦显微镜跟踪拍摄细胞运动过程。我们应用软物质的实验分析技术，识别细胞空间分布，跟踪细胞运动变化，计算细胞之间相互作用。更进一步，我们运用数理手段对实验中的肿瘤细胞生长进行定量分析，并将实验分析结果综合到动力学模型中，对肿瘤细胞生长模式进行系统研究。

本研究结合生物实验和数理模型，通过对电离辐射前后肿瘤细胞在四维时空（三维空间加时间）中生长模式的研究，为探索临床“带瘤生存”新思路做前期基础研究。有别于常规放射生物学实验，体外三维细胞培养被用来模拟体内肿瘤细胞生长的组织力学环境，用细胞悬浮成团方法可以得到形状对称大小可控的细胞团簇。用共聚焦显微镜可以拍摄到细胞团簇运动的三维影像；利用软物质图像处理方法，可以识别细胞空间位置、跟踪细胞运动过程；并且通过图像识别细胞（团簇）边界，可以跟踪边界细胞的浸润迁移。在电离辐射前，本研究通过药物改变细胞的迁移速度，对三维团簇的生长边沿进行量化分析，发现药物剂量不但对肿瘤团簇的面积有影响，而且对边沿形态也有改变，这说明改变单个细胞迁移速度可以改变整体细胞团簇的生长形态。此外，通过药物对细胞分化进行调控，通过对细胞大小和形态进行图像分析，提取形状规则度量化指标，定量表示细胞形态其随时间的变化过程。本研究发现肿瘤团簇形状指标和单个细胞的规则度量化指标均与药物剂量成相关性，这表示这些图像分析在药物筛选过程中有一定应用前景。在电离辐射后，本研究通过不同辐射剂量组之间的比较，研究受照后细胞表观形态与生物性状的变化规律。受照细胞的边界和形状变得模糊和不规则，对应于细胞增殖能力下降、细胞周期改变以及生物活性的降低，这说明细胞表观形态与细胞生物状态密切相关。此外，本研究还对细胞外基质的力学环境进行研究。基质材料中鼠尾胶原蛋白可以促进肿瘤团簇的生长迁移。对基质力学计算，宏观上用流变仪直接测量，微观上用荧光粒子示踪形变。通过细胞团簇在不同强度基质胶的生长，发现细胞生长需要特定范围的环境基质强度，太硬太软都不适合。通过对荧光粒子的图像处理，跟踪粒子运动轨迹，用有限元分割和格林函数方法计算出细胞与基质相互作用时周围局部的形变力学。本研究发现基质中力的空间分布是不均匀的，显示肿瘤细胞与周围基质的作用是各向异性的。