基于激活—抑制理論的分枝模式并行生長系統(tǒng)建模及機理研究.pdf

1、基于數(shù)學(xué)生物學(xué)的生物模式形成研究起源于1952年圖靈開創(chuàng)性的反應(yīng)-擴散理論。在圖靈理論的基礎(chǔ)上，Gierer和Meinhardt提出了激活-抑制模型，該模型可以應(yīng)用于組織分化的生物模式問題中，并已得到大量的生物應(yīng)用。關(guān)于幾乎出現(xiàn)在所有高等生物發(fā)育過程中的分枝模式形成現(xiàn)象，Meinhardt用激活-抑制反應(yīng)擴散理論給出了他的解釋。由激活劑、抑制劑、底物等物質(zhì)組成的反應(yīng)擴散系統(tǒng)中，激活劑與抑制劑在底物的參與下進行自催化和交叉催化反應(yīng)形成激活

2、劑的局部高濃度信號，進而誘導(dǎo)細胞分化。分化了的細胞由于代謝作用致使激活劑的局部高濃度信號移向周圍細胞并使其分化形成分枝的一部分。局部高濃度激活劑游走過的痕跡最終形成了分枝結(jié)構(gòu)。
　　生物發(fā)育中的分枝模式并行生長現(xiàn)象，典型如血管與神經(jīng)、肺血管與氣道，兩種類型的分枝在空間上緊密相鄰，分枝相伴發(fā)生。這樣的并行生長系統(tǒng)對于生物個體的正常生理功能十分重要，比如血管與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并行生長，一方面便于血管為神經(jīng)提供氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，另一方面便于神經(jīng)

3、對血管的收縮和擴張進行生理調(diào)節(jié)。究竟是怎樣的生物化學(xué)機制產(chǎn)生了并行生長現(xiàn)象？生物實驗研究發(fā)現(xiàn)，通過轉(zhuǎn)基因方法將小鼠肺血管去除后，肺氣道分枝形態(tài)扁平，三維分枝結(jié)構(gòu)受到嚴重抑制;在胚胎時期小鼠的肢體皮膚中，缺少周圍神經(jīng)導(dǎo)致動脈生成缺陷，而將周圍神經(jīng)分枝模式擾亂后，血管分枝模式也隨之改變同時保持兩者的并行生長。這些生物實驗現(xiàn)象又該如何解釋？由此，本文展開了基于Meinhardt激活-抑制分枝模型的并行生長系統(tǒng)建模及機理的研究。
　　首先

4、，通過對激活-抑制分枝模型進行數(shù)值仿真分析，并同生物研究發(fā)現(xiàn)的分子生物學(xué)機制結(jié)合起來對單個分枝模式形成機理進行研究。
　　并行生長系統(tǒng)中，兩種類型的分枝間表現(xiàn)出相互吸引同時分枝在空間位置上獨立生長現(xiàn)象。通過仿真發(fā)現(xiàn)，底物對分枝的生長方向具有驅(qū)動作用，分枝趨向于底物高濃度生長。進而，假設(shè)并行系統(tǒng)中兩種類型分枝間通過互相產(chǎn)生對方需要的底物產(chǎn)生相互吸引作用。此外，引入局部排斥機制實現(xiàn)分枝在空間位置上的獨立生長。
　　生物系統(tǒng)中的分

5、枝模式形成過程中，存在所謂的生長尖端細胞對分枝延伸生長起著“引擎”作用，為此，進一步假設(shè)這種相互吸引與局部排斥分別由分枝尖端的抑制劑和激活劑產(chǎn)生。根據(jù)假設(shè)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并進行數(shù)值仿真，得到了分枝并行生長結(jié)果。
　　最后，為驗證并行模型的有效性，對肺血管-氣道、血管-神經(jīng)并行生長現(xiàn)象進行了仿真研究。利用并行模型，通過三維數(shù)值仿真得到了肺血管-氣道并行生長現(xiàn)象，并對生物實驗中血管對肺氣道三維分枝結(jié)構(gòu)形成的影響進行了仿真解釋。此外，