摘 要

白细胞由渗出作用穿过血管壁，并通过细胞粘附键的受体—配体作用粘附与微血管壁。一方面，细胞的粘附及渗出受细胞因子的调控，其中白细胞驱动基因CCL2是与其相关性较强的一类细胞因子；另一方面，白细胞粘附于微动脉血管壁时，将受到血浆的流体动力，而剪切流可能会对细胞粘附产生影响。

在基因分析中，本文通过对白细胞驱动因子CCL2及其基因的样本进行了表达水平差分分析、患者存活情况分析、相关基因分析以及基因功能和信号通路分析。发现在HCC（肝细胞癌）组织中，CCL2基因的表达情况明显低于正常组织，并随着肿瘤阶段的递进而降低。在存活情况中，CCL2水平较高的患者存活率相对于低表达患者有着更高的存活率。结论为：CCL2促进了白细胞的分化、参与免疫反应以及粘附，驱动白细胞向病变组织运动，这使得癌细胞的扩散受到更多的抑制。

在数值模拟中，本文基于简单液滴模型，粘附于微血管壁的白细胞进行数值模拟，采用二维VOF模型。在计算模型中，粘附力与接触角直接相关，通过调整白细胞接触角间接改变粘附力，研究不同接触角(45°- 65°)对应的粘附力下，白细胞的粘附与滑移行为。发现当白细胞粘附力低于某一值时，白细胞将很快发生脱壁的现象；而当粘附力高于此值时，白细胞可以稳定地粘附在血管内壁并在血浆流的作用下产生滑移。

在理论分析部分，本文采用基于化学反应速率的粘附键密度计算方式，将其应用于三维球状白细胞的粘附力介导的动力学分析中，发现白细胞粘附力主要来源是粘附区域的边缘，并与白细胞体积相关，白细胞体积越大，粘附力合力越大。在脱壁距离（白细胞壁与血管壁的距离）与粘附力的关系中，随着脱壁距离的增加，粘附力有少量提高，但当脱壁距离高于一定值之后，粘附力急剧下降。

关键词：CCL2；白细胞粘附；白细胞滑移；数值模拟；

Abstract

Leukocytes pass through the vascular wall by exudation and adhere to the microvascular wall by the receptor ligand of cell adhesion bond. On the one hand, the adhesion and exudation of cells are regulated by cytokines, in which the leukocyte driving gene CCL2 is a kind of cytokines with strong correlation; on the other hand, when leukocytes adhere to the wall of arterioles, they will be subject to the hydrodynamic force of plasma, and shear flow may have an impact on cell adhesion.

In gene analysis, we analyzed the expression level difference, patient survival, related genes, gene function and signal pathway of CCL2 and its gene samples. It was found that the expression of CCL2 gene in HCC was significantly lower than that in normal tissues, and decreased with the progression of tumor stage. The survival rate of patients with high CCL2 level was higher than that of patients with low expression. The conclusion is that CCL2 promotes the differentiation of leukocytes, participates in immune response and adhesion, and drives leukocytes to move to pathological tissues, which makes the proliferation of cancer cells more inhibited.

In the numerical simulation, based on the simple droplet model, the leukocytes adhering to the microvascular wall were simulated by using the two-dimensional VOF model. In the calculation model, the adhesion and contact angle are directly related. By adjusting the contact angle of leukocytes, the adhesion and slip behaviors of leukocytes under different contact angles (45° - 65°) are studied. It is found that when the adhesion of leukocytes is lower than a certain value, leukocytes will be desquamated quickly, and when the adhesion is higher than this value, leukocytes can stably adhere to the inner wall of blood vessels and slip under the action of plasma flow.

In the part of theoretical analysis, this paper uses the calculation method of adhesion bond density based on chemical reaction rate to apply it to the dynamic analysis of adhesion mediated by three-dimensional globular leukocytes. It is found that the main source of leukocyte adhesion is the edge of adhesion area, which is related to leukocyte volume. The larger the leukocyte volume, the greater the adhesion force. In the relationship between the distance from the wall of leukocyte to the wall of blood vessel and the adhesion, the adhesion increased a little with the increase of the distance, but when the distance was higher than a certain value, the adhesion decreased sharply.

Key Words：CCL2; leukocyte adhesion; leukocyte slippage; numerical simulation;

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究目的和研究内容 3

第2章 白细胞驱动基因CCL2分析 4

2.1 引言 4

2.2 分析方法 4

2.2.1 基因表达分析 4

2.2.2 患者预后分析 4

2.2.3 CCL2相关基因分析 5

2.2.4 GO分析和KEGG分析 5

2.3 结果讨论 6

2.3.1 基因表达分析结果 6

2.3.2 患者预后分析结果 8

2.3.3 CCL2相关基因分析结果 9

2.3.4 GO分析与KEGG分析结果 10

第3章 基于简单液滴模型的白细胞滑移数值模拟 16

3.1 引言 16

3.2 模型及计算参数 16

3.2.1 模型简图 16

3.2.2 边界条件 17

3.2.3 初始条件 18

3.2.4 其他求解参数 18

3.3 结果讨论 19

3.3.1 白细胞挤出 19

3.3.2 白细胞滑移和脱壁 20

3.3.3 速度场及压强分布 22

第4章 粘附力介导的白细胞行为分析 23

4.1 引言 23

4.2 简单液滴模型中的粘附力 24

4.2.1 静止流场中的简单液滴模型最大粘附力计算 24

4.2.2 动流场中的最大粘附力 25

4.3 粘附分子粘附力模型 26

4.3.1 理论分析 26

4.4 结果讨论 28

4.4.1 黏附力与脱壁距离的关系 28

4.4.2 粘附力的分布 29

第5章 总结和展望 31

5.1 主要结论 31

5.2 未来展望 31

参考文献 33

致谢 35

绪论

研究意义

白细胞(WBC)是人体内重要的免疫细胞之一，直径7~20μm，正常成人体内其数量通常为4.0～10.0/L。白细胞主要依靠血液循环在身体内运输，而在发挥免疫作用时，白细胞可以粘附至毛细血管内壁，再从细血管内皮间隙中渗出，到达病原体所在位置^[1]。

CCL2是趋化因子CC亚家族(又称β亚家族)成员之一，即单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemotactic protein-1，MCP-1)，可以趋化单核细胞、巨噬细胞和T淋巴细胞，影响其吞噬作用以及产生抗体，从而对抗外来入侵微生物的生理功能^[2]。Lin等人的研究表明，CCL2具有促进单核细胞粘附的作用^[3]。有大量证据表明CCL2在各种慢性炎症条件下的关键作用，这些疾病与巨噬细胞渗出有关，如动脉粥样硬化、多发性硬化症、风湿性关节炎、肾红素炎、肺高血压和肺纤维化^[4]。渗出和白细胞粘附对于白细胞发挥作用具有重要作用，从此角度来看，从基因方面分析CCL2相关基因及其表达情况以及其对于白细胞粘附的作用机理，对于白细胞转移的分析具有重要作用。

另一方面，白细胞的粘附，对于炎症反应、血栓形成、肿瘤转移、创伤愈合等都具有重要意义^[5]。而多种冠心病危险因素可能影响血小板及白细胞粘附分子的表达^[6]，因此研究白细胞在剪切流中的粘附的相关行为机制，对于促进白细胞以及癌症转移相关医学的进步具有重要意义。在微观的尺度上，白细胞的粘附主要受细胞粘附分子CAM（Cell Adhesion Molecules）所主导，而粘附分子以受体—配体结合的形式发挥作用^[7]。以血流动力学的角度对血细胞的行为进行研究，是除化学生物学之外的另一个研究方向。血流动力学对人体健康具有重要意义,例如血管支架植入后再狭窄就与血流动力学有关^[8]。在流体动力学中，主要的力学参数包括血液黏度、流速、白细胞尺寸、粘附分子密度（粘附力大小）、血管尺寸等。研究上述因素对白细胞粘附的影响，对于促进解决目前医学中白细胞粘附相关问题，例如癌细胞的转移与扩散，具有潜在的可能。

国内外研究现状

在CCL2基因的研究方面，Soria等人的研究表明在乳腺癌中，CCL2可促进血管生成;且CCL2与CCL5都直接作用于肿瘤细胞，通过增加其迁移和入侵相关特性来促进其亲恶性表型^[9]。崔莹莹等人则对CCL2与支原体肺炎的关系进行了研究，发现患儿外周血CCL2水平明显升高,并与疾病严重程度及心肌损伤有关^[10]。而在肿瘤迁移方面，Yue等人的研究则表明，IL-33（Interleukin‐33‐nuclear）可以通过转化Treg细胞的β生长因子来调节CCL2的表达，从而促进肿瘤的发展和转移^[11]。总的来说，目前对CCL2的研究主要集中在临床方面，而对于CCL2基因与白细胞粘附之间的详细作用过程，其相关工作则比较稀少。