生物建模的黑科技-快捷精准的定制化细胞微环境制备...-3

（ 三） 应用举例：

（ 1） 研究细胞间作用力

图 4. 为检测气道平滑肌（ASM） 细胞是如何互相作用并与细胞外基质（ECM） 作用的， 用 PRIMO设计了一个长方形结构， 将两个细胞组合在一起【 2】 。 图 A： 刚度为 E=300Pa 的基质可用来模拟健康的人气管的细胞外基质（ ECM） ， 此时 ASM 细胞形成稳定的细胞-细胞连接， 交界处清楚地显示红色的β -连环蛋白（ 细胞-细胞间粘附连接（ adherens junction)的标志物，
红色） 。 （ B-C） ： 重新建模的刚性更强的 ECM， E =13kPa-40kPa， 当 ECM 刚性增强到 13kPa时， 可以看出细胞交界处出现了绿色的黏着斑蛋白（ 细胞-ECM 间黏着斑连接(focal adhesion)的标志物， 黄色箭头） 。 当 ECM 刚性增强到 40kPa 时， 细胞交界处的β -连环蛋白（ 红色）让位给了黏着斑蛋白（ 绿色， 黄色箭头） ， 说明平滑肌力从“细胞-细胞之间传导” 变成了“通过 ECM 传导” 。
PRIMO 作用： 在聚二甲基硅氧烷（ PDMS） 软基质上进行 Micropatterning 设计， 粘附明胶和
ECM 蛋白， 再种上 ASM 细胞创建两个平滑肌细胞的作用力模型， 通过牵引力显微镜研究基质
的刚性如何影响平滑肌细胞间的力的传导（ ECM 刚度是一个开关， 可以调控平滑肌力是“ 通
过 ECM” 传导的， 还是“通过细胞-细胞之间的联系” 传导的） 。

（ 2） 观察心肌细胞的收缩

图 5. 左列图： 心肌细胞在玻璃培养皿上的收缩； 中列图： 沿着小箭头方向收缩； 右列图：
收缩力的显示【3】 。

PRIMO 实验： 在玻璃培养皿上， 先加上聚-L-赖氨酸接枝聚乙二醇（PLL-g-PEG） ， 再加 PLPP
光引发剂， 用 PRIMO 对 PLL-g-PEG 进行蚀刻， 粘附上纤维连接蛋白（fibronectin） 和纤维
蛋白原（fibrinogen） ， 最后加上斑马鱼的心肌细胞， 进行 STORM 成像。 哈佛医学院的
Schaibble 等人观察到没有进行 micropatterned 的细胞收缩不佳， 且以异步（不同时） 方
式进行， 而 micropatterned 的细胞则表现出更高且更同步的收缩力。 值得注意的是， 他们
观察到细胞以最大强度收缩时的最佳 L/ I 比值。 心肌细胞收缩的基本单位是肌原纤维节组
织（sarcomere） 。 Bray 等人在研究微图像（micropatterns） 上的单个细胞时发现， 肌原
纤维节在拉长的细胞内排列更整齐。

PRIMO 作用： 将细胞组成不同的图像： 四方形、 长条形， 等。 组成图像的心肌细胞的力学输
出增加， 微图像促进了协作的心肌细胞的收缩。

（3） 研究边界条件对细胞迁移的影响


图 6.研究细胞形态和迁移速度如何受到细胞侧向限制的影响【4】 。
PRIMO 实验： 用 Micropatterning 设计出 5 个连接的不同宽度的微通道， 通道宽度分别是：
5, 9, 13, 17 and 21 µm， 总长度是 320 µm， 最细的部分连接到一个直径 50 µm 的圆盘。 研
究细胞在微通道里的迁移过程。

PRIMO 作用： 用微通道对细胞进行侧向限制， 对细胞施加不同的限制力， 这种限制作用可调
节三维的细胞形态并影响细胞迁移速度。 用来模拟上皮组织中 follower cell 形成的空间
限制作用， PRIMO 可加速设计过程。

（4） 研究细胞的趋触性

图 7. 研究不同粘度的基质诱导 T 细胞的趋触性： 在不同的粘附条件下， T 细胞在 ICAM-1
基质上的运动轨迹【5】 。

细胞趋触性： 定向迁移是细胞运动的关键形式， 主要分为趋化性、 趋触性和趋硬性三种； 趋
触性指细胞对微环境中固定的化学梯度的响应， 如细胞具有应答黏着梯度的运动现象。
（A） ： 负控制基质， 0%的粘附对比， 没有整联蛋白（integrin） 条带， 细胞随机向不同的
方向迁移。
（B） ： 正控制基质， 100%的粘附对比， 整联蛋白浓度高， 细胞倾向于在整联蛋白条带上（蓝
色垂直象限里） 进行趋触性迁移。
（C） ： 50%的粘附对比， 整联蛋白浓度低， 细胞倾向于在整联蛋白条带上（蓝色垂直象限里）
进行趋触性迁移， 具有介于负控制基质和正控制基质之间的中间的各向异性指数。
（A-C） ： 不同颜色表示细胞的运动轨迹。


图 8. 在不同的粘附条件下， T 细胞在 ICAM-1 基质上的迁移特性【5】 。
（A-C） ： 解释同图 7： 灰色为细胞， 红色为整联蛋白条带， 绿色为细胞黏附的足迹。
PRIMO 作用： 用 Micropatterning 方法在 ICAM-1 基质上创造出不同浓度的整联蛋白的条带，
改变 ICAM-1 基质的粘附性， 观察细胞在条带上的迁移（趋触性） 。