【中国新闻网】中国科大在生物力学领域取得重要进展

发布时间:2022-01-12 23:01 来源:中国新闻网 阅读次数:
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记者12日从中国科学技术大学获悉,该校大工程科学学院近代力学系姜洪源课题组在生物力学领域取得重要进展——建立了上皮组织断裂破坏的理论模型。

这一揭示上皮细胞单层的脆韧转变机制的相关研究成果近日在线发表于《物理评论快报》上。

生物体内的许多器官、组织表面都覆盖着上皮组织,起到引导胚胎发育、防止细菌病毒感染、抵抗机械力等作用。在心跳、呼吸、血液流动、肠道蠕动等各种生理、病理过程中,上皮组织受到各种各样的内部或外界的机械力作用,并产生剧烈的变形。

例如,在姿势改变或运动期间,人体皮肤的典型应变约为25%;血压的周期性变化可沿周向拉伸血管壁,并导致高达15%的应变;心脏跳动时二尖瓣的最大应变和应变率可高达30%和400%/s。

尽管上皮组织可以通过细胞分裂、重组、凋亡等过程去耗散应力以保证上皮组织的内稳态,但当细胞间粘附受损或受到过度拉伸时,上皮组织仍可能发生破坏和断裂。例如,机械通气作为急性呼吸窘迫综合征的一种常用治疗手段,常常会由于对肺泡的过度拉伸而造成急性肺损伤,一些简单生物体(例如丝盘虫)的自身运动就可以导致其上皮组织发生断裂。尽管上皮组织的机械性能是其功能的重要组成部分,但目前缺乏可以描述上皮组织断裂破坏的理论模型。

针对以上问题,姜洪源课题组通过引入一种新的拓扑转换,发展了一种改进的细胞顶点模型,研究了上皮细胞单层的力学性质和断裂破坏机制。该研究团队发现了一种由单细胞力学性质及细胞间粘附性质决定的脆韧转变现象,揭示了外加荷载可以激活韧性细胞单层中的细胞重排布行为,并通过一个简化的四细胞模型,进一步证明了这种脆韧转变是由细胞重排和细胞脱粘的竞争引起的。该项工作为研究活体组织的断裂破坏提供了一个理论框架,并可能对许多其它生物学过程,例如伤口愈合和组织形貌发生,具有重要意义。 (记者 吴兰)