摘 要

癌症和心脑血管疾病一直是困扰着人类生命健康的严重疾病。而近些年来，有研究指出，在癌细胞和血管细胞的病变中，周期张力起到了很重要的作用。因此，本文对YAP1基因进行了数据挖掘，还对两种细胞分别建立了不同的模型，运用有限元的方法进行数值模拟，以探究细胞的张力响应情况。在数据挖掘过程中，发现YAP1基因在癌细胞中通常具有较高的表达水平，而且与YAP1正相关的基因表达水平也有所上升，负相关基因的表达水平则有所下降。且YAP1基因在转移的癌细胞中的表达水平又高于在未转移细胞中的表达水平。这证明了YAP1基因对癌细胞张力的影响。在对癌细胞的模拟中，本文建立了椭圆形的二维模型，并对其施加了恒定张力和周期张力。恒定张力实验中，在一定大小的范围内，细胞的应力极值区域总是出现在细胞的边缘，即黏着斑所在的位置。这说明细胞在相对静止的状态下，黏着斑结构确实是维持其位置的重要结构。在周期性加载实验中，细胞的应力极值仍然分布在黏着斑区域，但是应力分布均匀程度得到改善。在模拟血管平滑肌细胞的实验中，建立了基于显微图像的平滑肌细胞的纺锤形有限元模型，先后进行了恒定张力和周期张力的模拟。恒定张力实验中，细胞的应力极值出现在纺锤形的尖端，远离细胞核的位置上，这使得对外界力学刺激异常敏感的平滑肌细胞不易因恒定张力刺激改变行为模式。在周期张力实验中，平滑肌细胞的应力分布在细胞内部虽然仍有应力集中情况，但是应力有一定的均匀化。这证实了，纺锤形的细胞形状对于外界周期张力的刺激也有一定抵抗力。

关键词：细胞力学，YAP1基因，黏着斑蛋白，血管平滑肌细胞，有限元模拟

Key words: cell mechanics, YAP1 gene, adhesion spot protein, vascular smooth muscle cell, finite element simulation.

Abstract

Cancer and cardiovascular and cerebrovascular diseases are serious diseases that have been perplexing human life and health. In recent years, it has been pointed out that cycle tension plays an important role in the pathological changes of cancer cells and vascular cells. Therefore, YAP1 gene data mining is carried out in this paper, and different models are established for the two kinds of cells respectively. The finite element method is used for numerical simulation to explore the tension response of cells. In the process of data mining, it is found that YAP1 gene usually has a high expression level in cancer cells, and the expression level of YAP1 positive related genes also increased, while the expression level of negative related genes decreased. YAP1 gene expression level in metastatic cancer cells was higher than that in non metastatic cells. This proves the effect of YAP1 gene on the tension of cancer cells. In the simulation of cancer cells, a two-dimensional elliptical model is established, and constant tension and periodic tension are applied to it. In the constant tension experiment, in a certain range of size, the stress extremum region of cells always appears at the edge of cells, that is, the location of adhesive spots. This shows that the adhesive spot structure is indeed an important structure to maintain the position of cells in a relatively static state. In the periodic loading experiment, the stress extremum of the cell is still distributed in the adhesive spot area, but the stress distribution uniformity is improved. In the experiment of simulating vascular smooth muscle cells, the spindle finite element model of smooth muscle cells based on microscopic image was established, and the constant tension and periodic tension were simulated successively. In the constant tension experiment, the extreme stress of cells appears at the tip of the spindle, far away from the nucleus, which makes the smooth muscle cells sensitive to external mechanical stimulation not easy to change the behavior mode due to constant tension stimulation. In the cyclic tension experiment, the stress distribution of smooth muscle cells is still concentrated in the cell, but the stress has a certain degree of homogenization. This proves that the spindle cell shape is also resistant to the stimulation of the external cycle tension.

1. 绪论

1.1引言

癌症这种疾病一致威胁着人类的生命健康安全，而最近有研究表明^[1] ，癌细胞能够在人体内各种不同组织间转移与癌细胞的力学性质发生的改变密切相关。除此之外，也早就有其他研究指出^[2]，细胞所处的力学环境及细胞本身的力学性质对研究细胞乃至整个生命体的生命活动有着重要意义。比如，对于尚未分化的干细胞来说，力学信号和生化信号一样，在指导着细胞的生命活动^[3]。在成熟的细胞中，力学刺激也主导着诸如自噬等重要的生命活动^[4]。而如果细胞所处的活动环境中的某些力学性质发生了异常的变化，这种变化同样也会对细胞的生命活动造成影响^[5]。

心脑血管疾病也与细胞的力学性质有关。在血管结构中，起主要支撑作用，提供血管壁张力的结构成为血管中膜，而很多心脑血管疾病的直接原因都是血管的力学性质变化。很多研究指出^[6]，血管平滑肌细胞是组成血管中膜的重要细胞，而在异常的力学环境下，血管平滑肌细胞会改变蛋白质的种类的合成，并会向血管内膜转移，逐渐形成新的血管内膜。这会导致血管中膜的张力不足，最终导致各类心脑血管疾病的产生。

由上可知，细胞的力学性质对细胞的生命活动影响深远，但是，有关细胞的研究中，鲜有关于细胞的力学性质的研究；而在有关细胞的力学性质的研究中，采用的方法主要为两种：早期的研究人员通常都采用体外培养细胞，并使用机械装置对培养出的组织施加力学刺激^[7]；近期的研究则多采用原子力显微镜进行研究^[8][9]。两种方法各有优劣：机械刺激的方法十分直接，但是由于需要培养细胞组织，所以试验周期较长；原子力显微镜结果准确，但是成本高昂。现在计算机技术飞速发展，数值模拟的研究方法也在发展，在细胞力学方面也有相关应用^[10]，但是总体上应用较少。因此，考虑各种因素，本次实验主要运用数值模拟的方法，根据有限元相关理论，在Abaqus 6.14平台上研究细胞的力学性质。同时用数据挖掘的方法辅助研究。Abaqus 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。Abaqus 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具，Abaqus 除了能解决大量结构(应力/位移)问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透/应力耦合分析)及压电介质分析。Abaqus有两个主求解器模块Abaqus/Standard 和Abaqus/Explicit。Abaqus 还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块——Abaqus/CAE 。 Abaqus 对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决。

本次实验主要为模拟人类的体细胞，其大小通常在10~100μm之间，主要结构有三个：细胞膜，细胞质，细胞核。

图1.1 细胞结构图

如图1.1所示，细胞的主要结构分为3层：

细胞膜是细胞最外层的结构，作用主要是将细胞的内部环境与外部环境区分开来，同时兼具有保护细胞、物质与信息传递等功能；

细胞质通常被认为处于一种固态和液态之间的状态，细胞质中进行着细胞内大多数的生命活动，包括各种化学反应等，还包含着众多细胞器。因此，细胞质是处于不断的变化之中的一种复杂的结构；

细胞核是细胞内最大、最复杂的结构，其包含着细胞绝大部分的遗传信息，指导着细胞绝大部分的生命活动。由于细胞质具有流动性，细胞核在细胞中的位置可能会有变化，但一般位于细胞中央。

1.2 国内外研究现状

国内有研究者曾阐述过黏着斑蛋白在细胞中的作用^[11]，认为其作用是细胞与外界之间的信息通道之一，同时还负责增加细胞表面的粘附力，将细胞固定在组织中。后又有研究者运用相关技术去除了细胞内的黏着斑蛋白合成的相关基因^[12]，并发现了在缺失黏着斑蛋白的情况下，黏着斑结构不能再提供足够的粘附力，还导致了细胞骨架与基底之间相互作用的异常。YAP1基因方面，早期就有研究人员发现了其导致细胞癌变的机理^[13]，后来则有研究人员研究了癌细胞在踢人转移的原因，发现细胞力学性质的改变导致了癌细胞的转移能力远强于一般细胞^[14]。最近，则有研究人员发现，除了会直接引起癌变的相关基因的变异之外^[13]，YAP1基因还会影响到黏着斑蛋白的作用^[15]，以促进了癌细胞的转移。

血管平滑肌细胞是构成血管中膜的重要细胞，由于血管中膜是提供血管壁张力的重要结构，所以血管平滑肌细胞对机械应力异常敏感^[16]，早期有研究者进行过体外培养平滑肌细胞^[16]，并运用高倍电子显微镜探明了平滑肌细胞的显微结构^[17]，后期有人经过试验，发现平滑肌细胞会因为化学物质的刺激改变自己的应力状态^[15]；此后马上有研究人员证明了平滑肌细胞还会因为受到力学刺激而影响生命活动^[6]。而平滑肌细胞力学性质的改变，还会直接导致血管力学性质的改变^[15]，并可能因此引起病变。

1.3 研究目的和研究内容