基于反應(yīng)擴(kuò)散模型的三維肺氣道分枝形態(tài)發(fā)生的機(jī)理研究
發(fā)布時(shí)間：2021-11-17 10:26
最近的生物研究結(jié)果表明,肺氣道發(fā)育過程中存在著極其豐富的分枝結(jié)構(gòu)。從拓?fù)鋵W(xué)的角度,肺氣道分枝可分為如下三類：域分枝,正交分枝以及平面分枝。這三種分枝模式在肺結(jié)構(gòu)發(fā)育中依時(shí)間順序發(fā)生,各自扮演著不同的功能角色。首先,域分枝形成肺的支架結(jié)構(gòu)；接下來(lái),正交分枝填充肺的三維空間；最后,平面分枝形成肺的邊緣。為解釋肺氣道發(fā)育過程中的三種模式形成以及不同分枝模式間的切換機(jī)理,以Metzger為首的斯坦福大學(xué)研究小組,提出了“子程序／主控程序”的基因論假設(shè)：生物體內(nèi)存在可以產(chǎn)生各種分枝現(xiàn)象的基因子程序,以及一個(gè)負(fù)責(zé)在正確時(shí)間地點(diǎn)調(diào)用正確子進(jìn)程的主進(jìn)程。然而,這些假設(shè)背后的機(jī)理卻從未被解釋。形態(tài)發(fā)生問題不僅是人類認(rèn)識(shí)生物體發(fā)育領(lǐng)域的重要課題,對(duì)生物組織工程、醫(yī)學(xué)等其他領(lǐng)域也具有極其重要的意義。為此,本文將肺氣道形態(tài)發(fā)生中觀測(cè)到的三種分枝模式從空間結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行歸類。發(fā)現(xiàn)域分枝實(shí)際上是分枝發(fā)生在生長(zhǎng)枝干側(cè)面的側(cè)分枝；正交分枝與平面分枝均屬于生長(zhǎng)尖端一分為二的尖端分枝,唯一的區(qū)別在于是否具有相鄰代分枝平面的90度旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上,本文利用數(shù)學(xué)建模及計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù),通過一組高度抽象的低維度數(shù)學(xué)模型對(duì)肺...
【文章來(lái)源】：南開大學(xué)天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：148 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
生物器官組織的功能與空間結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的例子
1)從空間結(jié)構(gòu)的角度觀察，肺氣道發(fā)育過程中數(shù)以萬(wàn)計(jì)的分枝形態(tài)從拓?fù)鋵W(xué)角度歸納為如圖1.2所示的三種模式。它們分別是域分枝（domain branching,圖1.2藍(lán)色），正交分枝（orthogond bifurcation,圖1.2紅色）以及平面分枝(planar bifurcation,閣1.2綠色）。每種分枝模式扮演不同的生理功能：域分枝將三維空間劃分成不同的區(qū)塊，為肺后期的發(fā)育建立支架結(jié)構(gòu)。正交分枝填充了三維肺空間，形成非�？捎^的表面積體積比。平面分支形成肺的邊緣結(jié)構(gòu)。(A) Domain branching (B) Planar bifurcation (C) Orthogonalbranching 乂廣 bifurcation branchingDomain specifier Bifurcator Rotator (y〈圖1.2肺氣道形態(tài)發(fā)生中的三種分枝結(jié)構(gòu)的示意圖[21】(A)域分枝，（B)平面分枝，（C)正交分枝3
2)從時(shí)間角度觀察，這三種分枝模式在肺氣道發(fā)育過程中按照時(shí)間順序依次上演（圖1.3)。首先上演的是域分枝（圖1.3藍(lán)色），接下來(lái)分技模式轉(zhuǎn)變?yōu)檎环种Γ▓D1.3中紅色），最后，平面分枝形成肺發(fā)育的邊緣（圖L3綠色）。正是由于分枝模式這樣的時(shí)間上演順序，在小鼠胚胎發(fā)育E15階段（圖1.3最右圖），清楚觀察到三種不同分枝從內(nèi)向外依次展開的空間布局。,個(gè)圖Domain Planar Orthogonal ^‘ ‘ ‘branching bifurcation bifurcation jW(scaffolds) (edges) (surfaces/interior) ■"PlfiSf __ nf f 'liWrffl圖1.3肺氣道中三種分枝模式。肺氣道中三種分枝模式在肺發(fā)育過程中按照時(shí)間順序依次上演，形成從內(nèi)向外依次展開的空間分布。藍(lán)色的代表域分枝，紅色的代表正交分枝，綠色的代表平面分枝。然而，三種分枝模式如何產(chǎn)生，以及生物體是如何實(shí)現(xiàn)這三種分枝模式的切換呢？仍然無(wú)法做出回答。研究學(xué)者試圖從基因的角度去解釋。Metzger提出了 “子程序/主控程序”的基因論假設(shè)：生物體內(nèi)存在可以產(chǎn)生各種分枝現(xiàn)象的基因子程序，以及另外一個(gè)負(fù)責(zé)在正確時(shí)間地點(diǎn)，調(diào)用正確子進(jìn)程的主進(jìn)程但是
本文編號(hào)：3500721
【文章來(lái)源】：南開大學(xué)天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：148 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
生物器官組織的功能與空間結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的例子
1)從空間結(jié)構(gòu)的角度觀察，肺氣道發(fā)育過程中數(shù)以萬(wàn)計(jì)的分枝形態(tài)從拓?fù)鋵W(xué)角度歸納為如圖1.2所示的三種模式。它們分別是域分枝（domain branching,圖1.2藍(lán)色），正交分枝（orthogond bifurcation,圖1.2紅色）以及平面分枝(planar bifurcation,閣1.2綠色）。每種分枝模式扮演不同的生理功能：域分枝將三維空間劃分成不同的區(qū)塊，為肺后期的發(fā)育建立支架結(jié)構(gòu)。正交分枝填充了三維肺空間，形成非�？捎^的表面積體積比。平面分支形成肺的邊緣結(jié)構(gòu)。(A) Domain branching (B) Planar bifurcation (C) Orthogonalbranching 乂廣 bifurcation branchingDomain specifier Bifurcator Rotator (y〈圖1.2肺氣道形態(tài)發(fā)生中的三種分枝結(jié)構(gòu)的示意圖[21】(A)域分枝，（B)平面分枝，（C)正交分枝3
2)從時(shí)間角度觀察，這三種分枝模式在肺氣道發(fā)育過程中按照時(shí)間順序依次上演（圖1.3)。首先上演的是域分枝（圖1.3藍(lán)色），接下來(lái)分技模式轉(zhuǎn)變?yōu)檎环种Γ▓D1.3中紅色），最后，平面分枝形成肺發(fā)育的邊緣（圖L3綠色）。正是由于分枝模式這樣的時(shí)間上演順序，在小鼠胚胎發(fā)育E15階段（圖1.3最右圖），清楚觀察到三種不同分枝從內(nèi)向外依次展開的空間布局。,個(gè)圖Domain Planar Orthogonal ^‘ ‘ ‘branching bifurcation bifurcation jW(scaffolds) (edges) (surfaces/interior) ■"PlfiSf __ nf f 'liWrffl圖1.3肺氣道中三種分枝模式。肺氣道中三種分枝模式在肺發(fā)育過程中按照時(shí)間順序依次上演，形成從內(nèi)向外依次展開的空間分布。藍(lán)色的代表域分枝，紅色的代表正交分枝，綠色的代表平面分枝。然而，三種分枝模式如何產(chǎn)生，以及生物體是如何實(shí)現(xiàn)這三種分枝模式的切換呢？仍然無(wú)法做出回答。研究學(xué)者試圖從基因的角度去解釋。Metzger提出了 “子程序/主控程序”的基因論假設(shè)：生物體內(nèi)存在可以產(chǎn)生各種分枝現(xiàn)象的基因子程序，以及另外一個(gè)負(fù)責(zé)在正確時(shí)間地點(diǎn)，調(diào)用正確子進(jìn)程的主進(jìn)程但是
本文編號(hào)：3500721
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