基于反应扩散模型的三维肺气道分枝形态发生的机理研究

发布时间：2021-11-17 10:26

　　最近的生物研究结果表明,肺气道发育过程中存在着极其丰富的分枝结构。从拓扑学的角度,肺气道分枝可分为如下三类：域分枝,正交分枝以及平面分枝。这三种分枝模式在肺结构发育中依时间顺序发生,各自扮演着不同的功能角色。首先,域分枝形成肺的支架结构；接下来,正交分枝填充肺的三维空间；最后,平面分枝形成肺的边缘。为解释肺气道发育过程中的三种模式形成以及不同分枝模式间的切换机理,以Metzger为首的斯坦福大学研究小组,提出了“子程序／主控程序”的基因论假设：生物体内存在可以产生各种分枝现象的基因子程序,以及一个负责在正确时间地点调用正确子进程的主进程。然而,这些假设背后的机理却从未被解释。形态发生问题不仅是人类认识生物体发育领域的重要课题,对生物组织工程、医学等其他领域也具有极其重要的意义。为此,本文将肺气道形态发生中观测到的三种分枝模式从空间结构角度进行归类。发现域分枝实际上是分枝发生在生长枝干侧面的侧分枝；正交分枝与平面分枝均属于生长尖端一分为二的尖端分枝,唯一的区别在于是否具有相邻代分枝平面的90度旋转现象。在此基础上,本文利用数学建模及计算机数值仿真技术,通过一组高度抽象的低维度数学模型对肺... 

【文章来源】：南开大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：148 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

生物器官组织的功能与空间结构相适应的例子

1)从空间结构的角度观察，肺气道发育过程中数以万计的分枝形态从拓扑学角度归纳为如图1.2所示的三种模式。它们分别是域分枝（domain branching,图1.2蓝色），正交分枝（orthogond bifurcation,图1.2红色）以及平面分枝(planar bifurcation,阁1.2绿色）。每种分枝模式扮演不同的生理功能：域分枝将三维空间划分成不同的区块，为肺后期的发育建立支架结构。正交分枝填充了三维肺空间，形成非常可观的表面积体积比。平面分支形成肺的边缘结构。(A) Domain branching (B) Planar bifurcation (C) Orthogonalbranching 乂广 bifurcation branchingDomain specifier Bifurcator Rotator (y〈图1.2肺气道形态发生中的三种分枝结构的示意图[21】(A)域分枝，（B)平面分枝，（C)正交分枝3

2)从时间角度观察，这三种分枝模式在肺气道发育过程中按照时间顺序依次上演（图1.3)。首先上演的是域分枝（图1.3蓝色），接下来分技模式转变为正交分枝（图1.3中红色），最后，平面分枝形成肺发育的边缘（图L3绿色）。正是由于分枝模式这样的时间上演顺序，在小鼠胚胎发育E15阶段（图1.3最右图），清楚观察到三种不同分枝从内向外依次展开的空间布局。,個圖Domain Planar Orthogonal ^‘ ‘ ‘branching bifurcation bifurcation jW(scaffolds) (edges) (surfaces/interior) ■"PlfiSf __ nf f 'liWrffl图1.3肺气道中三种分枝模式。肺气道中三种分枝模式在肺发育过程中按照时间顺序依次上演，形成从内向外依次展开的空间分布。蓝色的代表域分枝，红色的代表正交分枝，绿色的代表平面分枝。然而，三种分枝模式如何产生，以及生物体是如何实现这三种分枝模式的切换呢？仍然无法做出回答。研究学者试图从基因的角度去解释。Metzger提出了 “子程序/主控程序”的基因论假设：生物体内存在可以产生各种分枝现象的基因子程序，以及另外一个负责在正确时间地点，调用正确子进程的主进程但是


本文编号：3500721