流体剪应力作用对内皮细胞变形的影响.pdfVIP

维普资讯 生物物理学报 第十九卷 第三期 二oo三年九月 ACTA BIOPHYSICA SINICA Vo1．19 No．3 SepC2003 流体剪应力作用对 内皮细胞变形的影响 刘肖珩 ， P．WACHE， X．wAN ， 陈槐卿 (1．四川大学华西医学中心生物医学工程研究室，成都 610041；2．LEMTA—UMR-CNRS7563，Vandoeuvre-les-Nancy，France) 摘要：血液流动和 内皮的耦合是重要的生物医学问题 ，引起 了学者们的广泛兴趣。 目前已知流场剪应力对 内皮细胞的形态和功能有重要影响，流体剪应力被认为是引起内皮细胞重建的始发信号。所以，了解流体剪应力 与内皮细胞之间的相互作用机制是十分重要的。建立了一个理论模型来模拟流场剪应力与内皮细胞之间的相互作 用。根据二维计算流体动力学方法研究了流体剪应力作用下内皮细胞表面的应力、压力分布。模拟结果表明： (1)内皮细胞的变形随 (对应于流体作用于细胞表面的剪应力)的变化而变化。当 很小时(0．02)，流场剪应力 对细胞变形的影响很小；随着 的增大，细胞的变形也相应增大；当 达到0．20以上时，细胞的变形变化很小， 即细胞的形态保持相对稳定。 (2)流动引起 了细胞表面应力和压力分布的不均匀，从而导致了细胞的变形，但 内 皮细胞的最大应力总是位于细胞的顶，最。同时，用流室系统提供剪切流动，测量了不同剪应力作用下培养的人主 动脉内皮细胞的变形，所得到的实验结果与数值模拟结果吻合。结果提示，由于剪切流动引起细胞表面应力分布 的不均一，可能在细胞激活和细胞功能的调节(如细胞骨架的调节、粘附分子的表达与分布等)机制上具有特殊的 作用。为应用流体动力学理论研究细胞r内皮细胞、白细胞等)变形以及细胞．基质粘附问题提供了新思路。 关键词： 剪应力；内皮细胞；变形；流体动力学；模拟 中图分类号：R3l8．0l 1 引 言 技术，在假设不可压缩、各向同性的前提下，得出 了内皮细胞的生物力学特性更接近于弹性体或粘弹 众所周知，血液动力学影响内皮细胞(endothe． 性体 的结论。其建议的弹性模量为 E=(130+30) 1ialcells，ECs)的形态和功 卜。]，而现有的研究大 Pa。此外，有些学者还研究了细胞核在 内皮细胞变 多以简单的剪切流动模型为基础 (如，双层平行板 形时的作用。Maniotis等u【]发现细胞核的弹性模量 流室系统提供的Poiseuille流动被经常使用)，没有 是细胞质的9倍 。Dong等 【]运用微吸管技术对分 研究内皮细胞几何形状、空间排布等因素对流场 的 离的中性粒细胞核进行了研究，结果表明细胞核的 影响 。然而 ，根据流体动力学理论，内皮细胞 弹性和粘度大约为细胞质的l0倍 。 的几何形状、空间排布的变化必定引起细胞表面附 本文根据流体动力学理论，用有限元分析方法 近流场的变化，因此，也必然引起细胞表面剪应力 研究稳定层流条件下ECs弹性层与剪切流场的耦 和压力的变化 。有些学者对单层 内皮细胞附近 的流 合，确定 ECs的变形、细胞表面的应力分布 以及 动进行了数值模拟。Satcher等问将内皮表面模拟为 细胞变形引起的流场压力的变化。同时，运用平行 正弦曲线，提出了一种线性分析和数值模拟方法。 板流室系统对培养的人主动脉内皮细胞进行剪切实 Barbee等 嗍用 原 子 力 显 微 镜 (atomic force 验 ，考察ECs在剪应力作用下的变形情况，最后， microscopy)获得了静态培养和稳定剪切条件下融 讨论 了细胞几何形状对流动的影响。 合 内皮层表面的数据，并将细胞表面附近 的流动按 计算流体动力学的方法进行了模拟。Fung等 用数 值计算方法分析了内皮细胞膜的张应力分布 以及相