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1、1,第七章 单细胞过程,主要内容引言单细胞过程的主要内容细胞黏附细胞迁移细胞繁殖生长因子和生长抑素的调节,2,瑞典皇家科学院8日宣布，包括美籍华裔科学家钱永健在内的3名科学家获得2008年度诺贝尔化学奖。帮助他们获奖的是绿色荧光蛋白。这种蛋白为生物与医学实验带来革命，它发出的荧光像一盏明灯，帮助研究人员照亮生命体在分子层面和细胞层面的诸多反应。,3,他1962年从生活在美国西海岸近海的一种水母身上分离出了绿色荧光蛋白。,在上世纪90年代，沙尔菲指出绿色荧光蛋白的发光特性在生物示踪方面有极高价值，由于绿色荧光蛋白用紫外线一照就发出鲜艳绿光，研究人员将绿色荧光蛋白基因插入动物、细菌或其他细胞的遗传
2、信息之中，让其随着这些需要跟踪的细胞复制，可“照亮”不断长大的癌症肿瘤、跟踪阿尔茨海默氏症对大脑造成的损害、观察有害细菌的生长，或是探究老鼠胚胎中的胰腺如何产生分泌胰岛素的细胞。,他改造绿色荧光蛋白，通过改变其氨基酸排序，造出能吸收、发出不同颜色光的荧光蛋白，其中包括蓝色、青色和黄色，并让它们发光更久、更强烈。,4,细胞是生命活动的基本单位:生长、信号传导、分化、凋亡等生理活动能力,引言,在体内正常情况下，细胞与细胞外基质、相邻细胞等生物环境有一系列相互作用，当细胞与外体材料接触后，一般来说其原有的生物环境发生了变化，原来的生理活动也会发生变化。这种相互作用很复杂，其基本原理就是单细胞与材料表
3、面发生相互作用的过程。,5,细胞,+,材料：胞外基质，吸附蛋白表面,细胞反应：分裂合成吞噬分泌 迁移收缩,其他单细胞过程,调节因子A,调节因子B,产物 + 调节因子,引言,6,在动物体内组织如结蹄组织细胞、血液细胞、肌细胞或神经细胞通常与细胞外基质接触，并受到生理环境下其他功能蛋白的调节，从而产生细胞反应。,所有细胞都是通过母细胞的分裂而成为两个子细胞得到的，显然这对于组织修复是需要的。,细胞反应,细胞增殖,7.1 单细胞过程的主要内容,7,合成功能分子,如细胞外基质结构蛋白和酶。功能分子可以是蛋白质、酶、糖、磷脂和黏多糖等。这些功能分子即可存在于细胞内液，也可分泌出细胞膜外。,吞噬,这是指材
4、料或分子颗粒太大，因而不能跨过细胞膜扩散。,7.1 单细胞过程的主要内容,8,7.1 单细胞过程的主要内容,材料上多个细胞发生的单细胞过程的组合，也就形成了组织对材料的反应。 单细胞过程中作用于初始细胞上的调节因子可以是生物环境中或附着在材料上的可溶功能蛋白或细胞外信号分子等。,9,在生物体内，细胞通常是与邻近细胞黏附，或黏附在细胞外基质上。对研究生物材料与细胞的相互作用而言，了解细胞与胞外基质的黏附行为是很有启发的。,7.2 细胞粘附,10,7.2.1细胞膜,细胞膜不同的部位对应着不同的功能，例如黏附、分泌液体输送、与其他细胞和细胞外基质的信号交流。,细胞膜是一个动态结构，含双层磷脂，并镶嵌
5、着蛋白质、脂蛋白、糖蛋白等。 物质交换有主动转运、被动转运和运输蛋白质通道。,受体作用：有抗原-抗体黏附、有特异性受体介导，如整合蛋白受体与黏附蛋白作用等。,7.2 细胞粘附,11,7.2.2细胞外基质,（EXTRACELLULAR MATRIX， ECM）,7.2 细胞粘附,12,ECM,由细胞分泌到细胞外间质中的大分子物质，构成复杂的网架结构，支持并连接组织结构、调节组织的发生和细胞的生理活动。,7.2 细胞粘附,7.2.2细胞外基质,13,7.2 细胞粘附,7.2.2细胞外基质,14,7.2.3 细胞外基质的生物学作用,7.2 细胞粘附,物理学作用：连接、支持、保水、抗压及保护。,基本生
6、命活动：全方位的作用，影响细胞的存活、生长与死亡。,定着依赖性：正常真核细胞，除红细胞外，大多需粘附于特定 的细胞外基质上，才能抑制凋亡而存活。,例如：上皮细胞及内皮细胞一旦离开细胞外基质，则会发生程序性死亡。,15,不同的细胞外基质对细胞的增殖影响不同,肿瘤细胞的增殖丧失了定着依赖性,7.2 细胞粘附,7.2.3 细胞外基质的生物学作用,16,7.2 细胞粘附,7.2.3 细胞外基质的生物学作用,决定细胞的形状： 单个细胞脱离了细胞外基质，呈球形；同一种细胞在不同的胞外 基质上黏附，可表现出不同的形状；上皮细胞黏附于基膜上后， 才表现出极性。,确定细胞形状的机制： 通过受体影响细胞骨架的组装
7、而实现。,17,参与细胞的迁移： 可以控制迁移的方向与速度，为迁移提供脚手架。 细胞的迁移依赖于细胞的黏附与细胞骨架的组装。,控制细胞的分化： 细胞通过与特定的胞外基质成分作用而发生分化。 例如：成肌细胞在纤粘连蛋白上，表现为增殖但不 分化；在层粘连蛋白上，表现为停止增殖进行分化。,7.2 细胞粘附,7.2.3 细胞外基质的生物学作用,18,7.2 细胞粘附,7.2.3 细胞在材料上的黏附,当细胞在材料表面黏附时，黏附面上按间隙距离可分为三种区域：,焦点黏附：1020nm缝隙，在细胞铺展的边界可观察到 细胞伪足与材料的锚接，这是一种非常强的黏附；,紧密接触：3050nm缝隙，围绕在焦点黏附周围
8、；,间接接触：缝隙100nm，细胞外基质、液体夹在膜和材料中间。,19,20,21,22,23,7.2 细胞粘附,7.2.3 细胞在材料上的黏附,焦点黏附:是细胞的伪足（突起的蒜状或片状）与材料表面上黏附紧密地蛋白分子形成化学结合。 细胞伪足上有跨膜蛋白（整连蛋白），蛋白通过纤维黏连蛋白锚接。,由于焦点黏附是关键，研究也最深入。,24,7.2 细胞粘附,7.2.3 细胞在材料上的黏附,1、影响细胞黏附的材料性质,表面拓扑 材料表面的粗糙度对细胞黏附有显著影响。特别光滑或特别粗糙的表面都不利于细胞黏附；根据细胞类型选择适当的粗糙表面利于细胞黏附。,亲水性 亲水性材料表面利于细胞黏附,25,7.2
9、 细胞粘附,7.2.3 细胞在材料上的黏附,2、表面修饰 细胞膜上受体，通过与纤维黏连蛋白结合到基质上；受体整连蛋白与黏连蛋白结合于不同位点，结合位是相对小的区域，通过人工模拟可合成线形或环状的寡肽。,由3个氨基酸Arg-Glu-Asp组成的寡肽与受体亲和力与蛋白相似，将其固定在材料表面，制备成受体专用材料，就可促进受体介导的细胞在材料表面上的黏附并提高其功能。,26,7.3 细胞迁移,根据分子细胞生物学，知道肌动蛋白是细胞内爬行动作的主要物质。,27,肌动蛋白聚合使细胞前沿伸出突起；,当伪足接触到一片合适的材料表面，可以锚着黏附，跨膜的整连蛋白就与胞外基质中的分子结合。,细胞后端回缩，锚着推
10、开；如此循环，完成细胞爬行。,28,7.3 细胞迁移,关于细胞爬行的方向，体外实验观察到的几个因素：,化学成分趋向性：细胞朝某些物质浓度高的方向爬行，这些物质称为化学趋向引物。如炎症反应中补体固定释放的某些蛋白、神经纤维中的神经生长因子、平滑肌细胞的血小板源性生长因子等。,黏附趋向性：在容易黏附处形成焦点黏附，进而发生爬行。,29,7.3 细胞迁移,趋电性：细胞在直流电场作用下有运动趋向。已经观察到成纤维细胞、肌细胞、神经细胞对外加电场有响应。有些细胞向阴极移动，如神经生长锥；有些向阳极爬行，如吞噬细胞。 实验表明，施加电场，对神经组织的修复是有作用的。,30,7.4 细胞繁殖,细胞在材料上黏
11、附后，就会按其自身固有的周期发生演变。如果细胞受到周围材料中生长因子的刺激，这种自身的周期演变会发生变化。,31,7.4 细胞繁殖,人体组织细胞分为三类：,不稳定细胞：不停地进行增殖的细胞，如表皮细胞、 淋巴及造血细胞、干细胞等；,稳定细胞：在生理环境下，细胞稳定与G0期。但在 组织受到刺激时，则进入G1后期，准备 DNA分裂。例如骨折愈合时，间叶细胞 增长，并向软管母细胞及骨母细胞分化；,永久性细胞：不再分裂、增长，如神经细胞、骨骼 肌细胞、心肌细胞等。,32,7.4 细胞繁殖,干细胞既能增殖又能产生分化的后代，因而能够维持组织的生长、修复以及正常活动。与通过骨髓移植治疗人类白血病的原理相同
12、，在组织工程中，干细胞已成为在框架材料上培养各种组织的新希望。,33,7.5 生长因子和生长抑素的调节,已经分离出许多蛋白或多肽，能特异性地与某些细胞膜上的受体结合，激活细胞内某些酶，引起胞内一系列反应，从而调节细胞生长、分化、运动。,这些能刺激细胞增殖的蛋白或多肽，简称生长因子；而能抑制细胞增殖的则称为抑素。在材料上接枝这些因子就对单细胞过程进行调节。,34,动物细胞增殖,刺激性化学信号（生长因子）,克服胞内限制细胞生长和阻断细胞周期的分子制动机制,生长因子与细胞膜上的受体结合,激发胞内信号传导通路,细胞生长和分裂,7.5 生长因子和生长抑素的调节,35,7.5 生长因子和生长抑素的调节,细
13、胞因子：白介素、肿瘤坏死因子、成纤 维细胞生长因子、转化生长因子等；二十碳衍生物：前列腺素、白细胞三烯；分化因子：骨形态发生蛋白（BMP）。,36,首先是间充质细胞发生化学趋化、聚集、分化形成软骨和骨，最后形成骨髓，故认为BMP的靶细胞是一类未分化的、在一定刺激下有成骨潜能的间充质细胞。,7.5 生长因子和生长抑素的调节,BMP研究较多，并有产品。BMP分子有16种; 诱导成骨作用可分为4个时期：趋化期、分化期、 骨质形成期和重塑期;,37,7.5 生长因子和生长抑素的调节,实验证明：不论是胚胎期还是成年期，骨组织细胞均来源于一种未分化的间充质细胞，即成骨细胞、软骨细胞、肌细胞、脂肪细胞和成纤维细胞均是由未分化的间充质细胞衍生而来；,38,7.5 生长因子和生长抑素的调节,间充质细胞在分化中受多种调节因子控制，定向分化为具有各种表征的细胞。如果不受BMP等因子作用，它在整个生命中都不会分化形成软骨和骨。,39,7.5 生长因子和生长抑素的调节,成骨细胞分化的两个阶段： 由未分化的间充质细胞定向分化为成骨细胞前体细胞；由前体细胞转化为成熟的成骨细胞。 BMP的主要生物学作用就是诱导间充质细胞分化为成骨细胞，进而产生新生骨。,40,THANKS！,
