将找形分析应用于细胞骨架的研究进展课件.pptx

1、将找形分析应用将找形分析应用于于细胞骨架细胞骨架的研究的研究进展进展主要主要内容内容细胞骨架相关介绍细胞骨架力学模型研究现状经典模型“形似”模型找形模型刚度分析能量分析找形模型研究展望细胞骨架细胞骨架细胞骨架（Cytoskeleton）真核细胞中由多种蛋白质组成的纤维网架体系；维持细胞形状，保持细胞内部结构的有序性；与细胞运动、细胞分裂、胞内物质运输、能量转换、信息传递、基因表达、细胞分化、甚至分子空间结构的改变等生命活动密切相关；包括微丝(Actin Filament)、微管(Microtubule)和中间纤维(Intermediate Filament)；具有动力学可变性。真实细胞骨架网络

2、的扫描电子显微图真实细胞骨架网络的扫描电子显微图细胞骨架细胞骨架微丝(Actin Filament)又称肌动蛋白丝，是由肌动蛋白聚合而成的、直径为7 nm的丝状结构，存在于所有真核细胞中；微丝中的肌动蛋白之间由非共价键结合，沿微丝的长轴螺旋排列，每37 nm形成一个螺旋，组成微丝结构。肌动蛋白单体和微丝的结构肌动蛋白单体和微丝的结构细胞骨架细胞骨架交联蛋白（Cross-linking Protein）作为微丝结合蛋白的一种，主要决定了细胞中微丝的排列方式束状排列或网状排列。细胞微丝网络中有许多种交联蛋白：辅肌动蛋白（-actinin）、细丝蛋白（filamin）、束捆蛋白（fascin）、毛缘

3、蛋白（fimbrin）、血影蛋白（spectrin）、绒毛蛋白（villin）交联蛋白名称主要功能-辅肌动蛋白（-actinin）在平行的微丝正端横向连接成束，属成束蛋白细丝蛋白（Filamin）横向连接微丝成二维网络结构或束状束捆蛋白（Fascin）在平行微丝间形成横向连接，使微丝成束毛缘蛋白（Fimbrin）在平行微丝间形成横向连接，使微丝成束 细胞骨架力学模型细胞骨架力学模型研究细胞骨架力学模型的意义细胞是生命的基本单位，力对细胞的生长、分裂、粘附、运动、信号转换和基因表达等重大生命活动具有很大的影响；将力学方法引入到生物学领域，从力学的角度分析生物系统的结构和功能，使得人们对以往的生物

4、试验和观测有了更加直观的理解；对疾病的及时诊断和针对性治疗，以及解决分子层次上的重大生物学难题具有重要意义。目前国内外已有一些经典的细胞骨架力学模型，如张拉整合模型、泡沫模型、索网模型等等。国内外研究现状国内外研究现状泡沫泡沫模型模型（Open-cell Foams）张拉整合模型张拉整合模型（Tensegrity Model）索网索网模型模型（Cable Network Model）国内外研究现状国内外研究现状 这些模型给我们的研究带来了启发，然而这些规则的力学模型没有真实地模拟出细胞的结构形态，也没有反映出一些细胞骨架网络的力学特性与其组成成分之间的关系。细胞骨架的肌动蛋白网络结构扫描电子显

5、微照片细胞骨架的肌动蛋白网络结构扫描电子显微照片国内外研究现状国内外研究现状Onck 和 Koeman 提出了一种与细胞骨架外观较为类似的模型。Huisman 和 Dillen 进一步将这种模型发展到三维模型上。我们提出了一种新型的细胞骨架力学模型找形模型找形模型（Form-finding Model）。细胞骨架网络是一种柔性结构，找形模型正是基于柔性结构设计中的找形分析，结合随机模拟方法而提出的。找形模型找形模型找形模型（平面结构）找形模型（平面结构）找形模型（三维结构）找形模型（三维结构）研究研究方法方法有限元仿真模拟数值分析，得出规律理论研究研究方法可以概括为：研究内容研究内容研究目标研

6、究找形模型的弹性模量，得到细胞骨架刚度与微丝相对含量、模型厚度之间的关系，依此推测真实细胞刚度的影响因素。研究找形模型的应变能，得到轴向应变能、弯曲应变能与微丝相对含量、模型厚度之间的关系，以及微丝&交联蛋白中的应变能所占的比重，进而得到有关轴向变形及弯曲变形（Affine&Non-affine）的结论。刚度研究刚度研究 建立三维模型找形分析拉伸分析研究流程（以三维模型为例）刚度研究刚度研究建立三维模型模型尺寸：整个细胞骨架网络结构包含的微丝和交联蛋白的数量太多，所以选取一个长方体区域作为模拟对象，模型的长宽定为10 m10 m，厚度分别取1 m、3 m、5 m、7 m、9 m；微丝相对密度：

7、分别取为0.200、0.225、0.250、0.275、0.300；刚度研究刚度研究建立三维模型考虑结构的几何非线性，模型中的微丝和细丝蛋白分别用梁单元和索单元来模拟；单元几何尺寸、力学属性、相对含量等参数：按照细胞试验数据来选用；模型数量：用自编程序，在每组条件下都随机生成100个模型，作统计用。建立三维模型的过程刚度研究刚度研究定义边界10 m10 m5 m建立三维模型的过程刚度研究刚度研究随机生成一根微丝建立三维模型的过程刚度研究刚度研究随机生成多根微丝建立三维模型的过程刚度研究刚度研究微丝相对密度达到预定值建立三维模型的过程刚度研究刚度研究定义交联蛋白结合点建立三维模型的过程刚度研究刚

8、度研究交联蛋白结合点局部放大图建立三维模型的过程刚度研究刚度研究生成交联蛋白建立三维模型的过程刚度研究刚度研究交联蛋白（虚线所示）局部放大图建立三维模型的过程刚度研究刚度研究找形分析得到最终模型建立三维模型的过程刚度研究刚度研究找形模型局部放大图刚度研究刚度研究找形分析找形分析依靠向量式有限元方法来实现，利用自编程序完成，找形分析能够确定细胞骨架模型的最终几何形状和单元中的应力分布；在模型的交联蛋白中施加预拉力，模拟细胞中交联蛋白的受力状态。然后进行向量式有限元计算，经过迭代得到一个自平衡的几何形状，就是找形模型的最终结构。刚度研究刚度研究拉伸分析细胞弹性模量的大小直接决定了细胞的刚度，因此我

9、们通过计算模型的弹性模量来了解细胞的刚度；对找形模型进行拉伸，模拟细胞拉伸试验，可以计算出细胞的弹性模量；通过自编程序，采用向量式有限元法进行拉伸分析。刚度研究刚度研究研究找形模型（平面）的刚度与微丝相对含量的关系 0100020003000400050006000700080000.150.1750.20.2250.250.2750.3弹性模量（弹性模量（Pa）微丝相对含量（微丝相对含量（%）AverageAve+StdAve-Std刚度研究刚度研究研究找形模型（平面）的刚度与交联蛋白相对含量的关系 01000200030004000500060000.20.40.60.81弹性模量弹性模量

10、（Pa）交联蛋白相对含量交联蛋白相对含量（%）AverageAve-StdAve+Std刚度研究刚度研究研究找形模型（平面）的刚度与微丝长度的关系 010002000300040005000600023456弹性模量弹性模量（Pa）微丝长度（微丝长度（m）AverageAve-StdAve+Std刚度研究刚度研究研究找形模型（三维）的刚度与微丝相对含量的关系 弹性模量（弹性模量（Pa）微丝相对含量（微丝相对含量（%）刚度研究刚度研究研究找形模型（三维）的刚度与模型厚度的关系 弹性模量（弹性模量（Pa）模型厚度（模型厚度（m）研究内容研究内容研究目标研究找形模型的弹性模量，得到细胞骨架刚度与微丝

11、相对含量、模型厚度之间的关系，依此推测真实细胞刚度的影响因素。研究找形模型的应变能，得到轴向应变能、弯曲应变能与微丝相对含量、模型厚度之间的关系，以及微丝&交联蛋白中的应变能所占的比重，进而得到有关轴向变形及弯曲变形（Affine&Non-affine）的结论。能量能量研究研究在研究找形模型刚度的基础上，进行应变能的研究，分别计算出微丝&交联蛋白中的轴向&弯曲应变能，进而得到微丝&交联蛋白在变形中的轴向&弯曲变形所占的比重。能量能量研究研究研究轴向&弯曲应变能与微丝相对含量的关系 轴向轴向&弯曲应变能弯曲应变能 微丝相对含量（微丝相对含量（%）能量能量研究研究研究轴向应变能所占百分比与微丝相对

12、含量的关系 轴向应变能所占百分比（轴向应变能所占百分比（%）微丝相对含量（微丝相对含量（%）能量能量研究研究研究轴向应变能所占百分比与微丝相对含量的关系 模型厚度（模型厚度（m）轴向应变能所占百分比（轴向应变能所占百分比（%）能量能量研究研究研究微丝&交联蛋白应变能与微丝相对含量的关系 微丝微丝&交联蛋白交联蛋白应变能应变能 微丝相对含量（微丝相对含量（%）展展 望望细胞骨架力学模型的研究还有很多需要解决的问题，如：细胞的粘弹性会对细胞骨架带来的影响；目前研究的都是部分细胞模型，如果研究整体细胞模型，会有一些复杂性；在一定的条件下，微丝能够形成更加高度有序的结构微丝束，关于微丝束仍有研究的必要。谢谢您的观看谢谢您的观看 敬请批评指正敬请批评指正