组织发育过程中,特定组织部位的细胞会有特定的形态和特定的分化方向。近年来大量研究表明胞外微环境尤其是力学相关因素在组织分化和形成过程中起到重要作用,例如几何形态、基底硬度能够影响细胞粘附相关行为:粘附斑分布、细胞骨架结构、细胞迁移、细胞分化和细胞凋亡等。本文实验研究了细胞外界微环境中的基底拓扑形貌、基底硬度作用下细胞的排列、极化、融合等行为以及钙信号在流体刺激引起的破骨细胞迁移中的调节作用。具体包括如下内容:(1)将成骨细胞(MC3T3-E1)接种在圆环等不同形状和不同硬度的微模式化基底上,分析了细胞排列和极化行为,通过细胞牵引力显微镜方法得到细胞与基底间相互作用力并分析了细胞层面内的应力。我们发现细胞在微模式化基底上的排列和极化行为与其所在微模式化基底径向位置有关,并且这种排列和极化行为受到基底几何形状、基底硬度等因素影响。细胞单层内受力分析显示多细胞行为的驱动力是面内最大剪应力,最大剪应力越大,细胞极化的长宽比越大,排列方向越接近该位置最大主应力方向。细胞极化能力以及细胞平行于最大主应力方向的程度,与基底硬度呈现两向性趋势。即软基底到刚性基底变化过程中存在最优硬度,使得细胞极化最明显并且其排列方向与最大主应力方向夹角最小。打断细胞骨架,细胞间连接或细胞-基底间连接会抑制细胞有序的排列和极化行为。(2)将破骨前体细胞(RAW264.7)接种在环形微模式化基底上,在诱导培养基作用下分析了微模式化对破骨前体细胞融合形成多核破骨细胞的影响。统计和分析了接种密度、诱导时间对融合形成多核破骨细胞数量、分布、细胞核数的影响,以及细胞间连接对破骨细胞融合的作用。结果表明,高密度接种诱导4天时多核破骨细胞集中出现在圆环中心区域。骨架染色显示边界区域骨架与最大主应力方向夹角较小,中心区域骨架则成圆形分布于细胞边界。结合有限元结果,我们发现圆环边界区域细胞所受较高的最大剪应力促使了细胞骨架发生极化,从而影响破骨细胞的融合。打断细胞间连接会抑制细胞融合,并且多核细胞分布不再具有规律性。(3)将成骨细胞(MC3T3-E1)接种在半圆柱形的3维曲面基底上,研究了基底曲率对细胞排列和极化的影响。细胞排列和极化特性主要依靠细胞核形态学参数以及细胞骨架极化特性判断。结合有限元模拟结果发现细胞在三维基底的极化和排列依然受面内最大剪应力调节:基底曲率越大,圆柱中心区域细胞所受剪应力越大,细胞极化越明显,且排列方向越平行于最大主应力方向。(4)采用平板流动腔装置对RAW264.7细胞施加1、10 dyne/cm~2的流体剪切力,并基于自主开发的程序对细胞迁移过程中动力学参数进行了标定和测量。结果显示流体剪切力刺激下RAW264.7趋于沿着流场方向迁移,其迁移能力以及细胞迁移速度都随剪切力增大而增加。阻断破骨细胞主要钙响应通路(MSCC,ER,PLC,excellular calcium)会显著影响其在流体方向的迁移速度。诱导时间对细胞的响应有明显影响,诱导4天或8天的破骨细胞在流体剪切力作用下,同样会沿着流场方向迁移,但是阻断钙响应通路并不能显著影响其迁移方向和迁移速度。