整合素是一类介导细胞-细胞、细胞-胞外基质以及细胞-病原体间粘附和信息传递的粘附分子，在免疫应答、凝血反应、炎症反应、肿瘤转移和创伤愈合等许多病理生理过程中起着重要的作用。β2整合素是整合素的一个亚族，主要参与白细胞与内皮细胞、免疫细胞或者靶细胞间的粘附；细胞间粘附分子-1(ICAM-1)是β2整合素一种重要的配体，属于免疫球蛋白超家族。人体免疫系统的主要功能是防御外物入侵，但有时也会变成肿瘤转移和恶化的帮凶。比如黑色素瘤细胞与内皮细胞直接粘附的能力很弱，白细胞有时会充当黑色素瘤细胞与内皮细胞接触和粘附的桥梁而提高其转移能力。最新的研究表明，黑色素瘤细胞和内皮细胞上的ICAM-1与中性粒细胞(PMN)上的β2整合素在特定条件下介导了黑色素瘤的跨内皮迁移。黑色素瘤是一种具有高度转移能力的恶性肿瘤，其转移过程是一个复杂的级联反应，而肿瘤细胞与内皮细胞的接触和粘附是其中最为关键的一步。白细胞增强黑色素瘤细胞转移有两个可能的机制：一是白细胞先被内皮细胞捕获，然后肿瘤细胞再与滚动的白细胞粘附；二是肿瘤细胞先在血流中与白细胞发生聚集，然后再通过白细胞粘附到内皮细胞上。但是何种机制起作用或占主导地位目前还不清楚。受体-配体键结合和解离的二维反应动力学定量描述了分子结合的快慢和强弱，是回答β2整合素与ICAM-1相互作用如何调控黑色素瘤细胞-白细胞、白细胞-内皮细胞之间粘附的关键。　　 本文围绕上述科学问题，在受体-配体相互作用的反应动力学及其作用力调控规律方面开展了两部分的研究工作：⑴建立了剪切流动下受体-配体键介导的细胞聚集和解聚的概率动力学模型，并数值拟合了中性粒细胞与黑色素瘤细胞的聚集实验结果，获取了β2整合素与ICAM-1相互作用的二维反应动力学参数。锥板粘度计和双染色流式细胞术在过去十几年中被逐渐拓展到血细胞、肿瘤细胞或转染细胞的聚集动力学及其分子调控机制的研究，然而已有的细胞聚集模型多停留在细胞层次，缺乏对其固有分子动力学参数的定量描述。本文通过对均匀剪切流场中二体碰撞过程的理论分析，结合Smoluchowski二体碰撞理论和小概率动力学模型，构建了一组用于描述均匀剪切流动下受体-配体键介导的细胞聚集和解聚的动力学方程。进一步采用四阶Rung-Kutta法和LevenbergMarquart非线性最小二乘法，数值拟合了PMN与黑色素瘤细胞聚集的实验结果，获取了β2整合素与ICAM-1在剪切和分子调控下的反应动力学参数。结果表明PMN与黑色素瘤细胞的聚集动力学是剪切率依赖而非剪切力依赖的，β2整合素与ICAM-1相互作用的动力学参数在fMLP和TNF-α刺激下会发生显著的变化。上述结果对于深入认识白细胞与肿瘤细胞在血流中的聚集过程具有重要意义。⑵发展了气体驱动的微管吸吮技术(GDMAT)，并应用于β2整合素与ICAM-1介导的肿瘤细胞-白细胞、白细胞-内皮细胞的粘附动力学研究⑼为了研究肿瘤转移过程中PMN与黑色素瘤细胞WM9以及PMN与人肺微血管内皮细胞(HPMEC)的相互作用及其分子调控机制，在实验室原有微管吸吮系统的基础上搭建了GDMAT实验系统，并有所改进和发展：①在气路上增加了一个旁路，有利于减小气路切换时的压力波动；②用时间继电器实现了对细胞靠近-接触-回拉过程的自动循环控制；③发展了相应的图像处理方法来跟踪细胞的运动和判断是否发生粘附。进一步用GDMAT方法定量测量了WM9-PMN、PMN-HPMEC间的粘附动力学，并结合小概率动力学模型，通过拟合粘附曲线得到了β2整合素与ICAM-1相互作用的的二维反应动力学参数。结果表明PMN-WM9间的有效正反应率远高于PM N-HPMEC，主要是由于HPMEC和WM9表达的ICAM-1分子密度不同所致；PMN-WM9间的负反应率仅为PMN-HPMEC的1/3; TNF-α刺激对PMN-WM9和PMN-HPMEC的负反应率影响不大，对有效正反应的影响则主要来自于细胞表面ICAM-1分子密度的上调表达。上述结果表明白细胞增强黑色素瘤细胞转移的第二个机制可能在肿瘤转移过程中占主导地位。本文的研究工作对于深入认识β2整合素与ICAM-1相互作用的二维反应动力学对肿瘤细胞-白细胞、白细胞-内皮细胞粘附的调控机制，以及整合素-配体结合与解离在肿瘤转移中的作用具有重要科学意义，并对抗癌药物设计和评价研究具有潜在的应用前景。