將找形分析應(yīng)用于細(xì)胞骨架的研究進(jìn)展課件

1、將找形分析應(yīng)用于細(xì)胞骨架的研究進(jìn)展主要內(nèi)容細(xì)胞骨架相關(guān)介紹細(xì)胞骨架力學(xué)模型研究現(xiàn)狀經(jīng)典模型“形似”模型找形模型剛度分析能量分析找形模型研究展望細(xì)胞骨架細(xì)胞骨架（Cytoskeleton）真核細(xì)胞中由多種蛋白質(zhì)組成的纖維網(wǎng)架體系；維持細(xì)胞形狀，保持細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序性；與細(xì)胞運動、細(xì)胞分裂、胞內(nèi)物質(zhì)運輸、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞、基因表達(dá)、細(xì)胞分化、甚至分子空間結(jié)構(gòu)的改變等生命活動密切相關(guān)；包括微絲(Actin Filament)、微管(Microtubule)和中間纖維(Intermediate Filament)；具有動力學(xué)可變性。 真實細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)的掃描電子顯微圖細(xì)胞骨架微絲(Actin Fil

2、ament)又稱肌動蛋白絲，是由肌動蛋白聚合而成的、直徑為7 nm的絲狀結(jié)構(gòu)，存在于所有真核細(xì)胞中；微絲中的肌動蛋白之間由非共價鍵結(jié)合，沿微絲的長軸螺旋排列，每37 nm形成一個螺旋，組成微絲結(jié)構(gòu)。 肌動蛋白單體和微絲的結(jié)構(gòu)細(xì)胞骨架交聯(lián)蛋白（Cross-linking Protein）作為微絲結(jié)合蛋白的一種，主要決定了細(xì)胞中微絲的排列方式束狀排列或網(wǎng)狀排列。細(xì)胞微絲網(wǎng)絡(luò)中有許多種交聯(lián)蛋白：輔肌動蛋白（-actinin）、細(xì)絲蛋白（filamin）、束捆蛋白（fascin）、毛緣蛋白（fimbrin）、血影蛋白（spectrin）、絨毛蛋白（villin） 交聯(lián)蛋白名稱主要功能-輔肌動蛋白（-a

3、ctinin） 在平行的微絲正端橫向連接成束，屬成束蛋白細(xì)絲蛋白（Filamin） 橫向連接微絲成二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或束狀束捆蛋白（Fascin） 在平行微絲間形成橫向連接，使微絲成束毛緣蛋白（Fimbrin） 在平行微絲間形成橫向連接，使微絲成束 細(xì)胞骨架力學(xué)模型研究細(xì)胞骨架力學(xué)模型的意義細(xì)胞是生命的基本單位，力對細(xì)胞的生長、分裂、粘附、運動、信號轉(zhuǎn)換和基因表達(dá)等重大生命活動具有很大的影響；將力學(xué)方法引入到生物學(xué)領(lǐng)域，從力學(xué)的角度分析生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，使得人們對以往的生物試驗和觀測有了更加直觀的理解；對疾病的及時診斷和針對性治療，以及解決分子層次上的重大生物學(xué)難題具有重要意義。 目前國內(nèi)外已有

4、一些經(jīng)典的細(xì)胞骨架力學(xué)模型，如張拉整合模型、泡沫模型、索網(wǎng)模型等等。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀泡沫模型（Open-cell Foams） 張拉整合模型（Tensegrity Model） 索網(wǎng)模型（Cable Network Model） 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 這些模型給我們的研究帶來了啟發(fā)，然而這些規(guī)則的力學(xué)模型沒有真實地模擬出細(xì)胞的結(jié)構(gòu)形態(tài)，也沒有反映出一些細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)的力學(xué)特性與其組成成分之間的關(guān)系。 細(xì)胞骨架的肌動蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)掃描電子顯微照片國內(nèi)外研究現(xiàn)狀Onck 和 Koeman 提出了一種與細(xì)胞骨架外觀較為類似的模型。Huisman 和 Dillen 進(jìn)一步將這種模型發(fā)展到三維模型上。 我們提出了

5、一種新型的細(xì)胞骨架力學(xué)模型找形模型（Form-finding Model）。細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)是一種柔性結(jié)構(gòu)，找形模型正是基于柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計中的找形分析，結(jié)合隨機(jī)模擬方法而提出的。找形模型找形模型（平面結(jié)構(gòu)）找形模型（三維結(jié)構(gòu)）研究方法有限元仿真模擬數(shù)值分析，得出規(guī)律理論研究研究方法可以概括為：研究內(nèi)容研究目標(biāo)研究找形模型的彈性模量，得到細(xì)胞骨架剛度與微絲相對含量、模型厚度之間的關(guān)系，依此推測真實細(xì)胞剛度的影響因素。研究找形模型的應(yīng)變能，得到軸向應(yīng)變能、彎曲應(yīng)變能與微絲相對含量、模型厚度之間的關(guān)系，以及微絲 & 交聯(lián)蛋白中的應(yīng)變能所占的比重，進(jìn)而得到有關(guān)軸向變形及彎曲變形（Affine & Non-a

6、ffine）的結(jié)論。剛度研究 建立三維模型找形分析拉伸分析研究流程（以三維模型為例） 剛度研究建立三維模型模型尺寸：整個細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含的微絲和交聯(lián)蛋白的數(shù)量太多，所以選取一個長方體區(qū)域作為模擬對象，模型的長寬定為10 m10 m，厚度分別取1 m、 3 m、5 m、7 m、9 m； 微絲相對密度：分別取為0.200 、0.225 、0.250 、0.275 、0.300 ；剛度研究建立三維模型考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性，模型中的微絲和細(xì)絲蛋白分別用梁單元和索單元來模擬；單元幾何尺寸、力學(xué)屬性、相對含量等參數(shù)：按照細(xì)胞試驗數(shù)據(jù)來選用；模型數(shù)量：用自編程序，在每組條件下都隨機(jī)生成100個模型，作統(tǒng)

7、計用。 建立三維模型的過程剛度研究定義邊界10 m10 m5 m建立三維模型的過程剛度研究隨機(jī)生成一根微絲建立三維模型的過程剛度研究隨機(jī)生成多根微絲建立三維模型的過程剛度研究微絲相對密度達(dá)到預(yù)定值建立三維模型的過程剛度研究定義交聯(lián)蛋白結(jié)合點建立三維模型的過程剛度研究交聯(lián)蛋白結(jié)合點局部放大圖建立三維模型的過程剛度研究生成交聯(lián)蛋白建立三維模型的過程剛度研究交聯(lián)蛋白（虛線所示）局部放大圖建立三維模型的過程剛度研究找形分析得到最終模型建立三維模型的過程剛度研究找形模型局部放大圖剛度研究找形分析找形分析依靠向量式有限元方法來實現(xiàn)，利用自編程序完成，找形分析能夠確定細(xì)胞骨架模型的最終幾何形狀和單元中的應(yīng)力

8、分布；在模型的交聯(lián)蛋白中施加預(yù)拉力，模擬細(xì)胞中交聯(lián)蛋白的受力狀態(tài)。然后進(jìn)行向量式有限元計算，經(jīng)過迭代得到一個自平衡的幾何形狀，就是找形模型的最終結(jié)構(gòu)。 剛度研究拉伸分析細(xì)胞彈性模量的大小直接決定了細(xì)胞的剛度，因此我們通過計算模型的彈性模量來了解細(xì)胞的剛度；對找形模型進(jìn)行拉伸，模擬細(xì)胞拉伸試驗，可以計算出細(xì)胞的彈性模量；通過自編程序，采用向量式有限元法進(jìn)行拉伸分析。 剛度研究研究找形模型（平面）的剛度與微絲相對含量的關(guān)系 剛度研究研究找形模型（平面）的剛度與交聯(lián)蛋白相對含量的關(guān)系 剛度研究研究找形模型（平面）的剛度與微絲長度的關(guān)系 剛度研究研究找形模型（三維）的剛度與微絲相對含量的關(guān)系 彈性模量

9、（Pa）微絲相對含量（%）剛度研究研究找形模型（三維）的剛度與模型厚度的關(guān)系 彈性模量（Pa） 模型厚度（m）研究內(nèi)容研究目標(biāo)研究找形模型的彈性模量，得到細(xì)胞骨架剛度與微絲相對含量、模型厚度之間的關(guān)系，依此推測真實細(xì)胞剛度的影響因素。研究找形模型的應(yīng)變能，得到軸向應(yīng)變能、彎曲應(yīng)變能與微絲相對含量、模型厚度之間的關(guān)系，以及微絲 & 交聯(lián)蛋白中的應(yīng)變能所占的比重，進(jìn)而得到有關(guān)軸向變形及彎曲變形（Affine & Non-affine）的結(jié)論。能量研究在研究找形模型剛度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行應(yīng)變能的研究，分別計算出微絲 & 交聯(lián)蛋白中的軸向 & 彎曲應(yīng)變能，進(jìn)而得到微絲 & 交聯(lián)蛋白在變形中的軸向 & 彎曲變形所占的比重。 能量研究研究軸向 & 彎曲應(yīng)變能與微絲相對含量的關(guān)系 軸向 & 彎曲應(yīng)變能 微絲相對含量（%）能量研究研究軸向應(yīng)變能所占百分比與微絲相對含量的關(guān)系 軸向應(yīng)變能所占百分比（%） 微絲相對含量（%）能量研究研究軸向應(yīng)變能所占百分比與微絲相對含量的關(guān)系 模型厚度（m）軸向應(yīng)變能所占百分比（%）能量研究研究微絲 & 交聯(lián)蛋白應(yīng)變能與微絲相對含量的關(guān)系 微絲