本文關(guān)鍵詞：基于激活—抑制理論的分枝模式并行生長(zhǎng)系統(tǒng)建模及機(jī)理研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：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(kāi)創(chuàng)性的反應(yīng)-擴(kuò)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(wèn)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(guò)程中的分枝模式形成現(xiàn)象,Meinhardt用激活-抑制反應(yīng)擴(kuò)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(kuò)散系統(tǒng)中,激活劑與抑制劑在底物的參與下進(jìn)行自催化和交叉催化反應(yīng)形成激活劑的局部高濃度信號(hào),進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞分化。分化了的細(xì)胞由于代謝作用致使激活劑的局部高濃度信號(hào)移向周?chē)?xì)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)系統(tǒng)對(duì)于生物個(gè)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(zhǎng),一方面便于血管為神經(jīng)提供氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),另一方面便于神經(jīng)對(duì)血管的收縮和擴(kuò)張進(jìn)行生理調(diào)節(jié)。究竟是怎樣的生物化學(xué)機(jī)制產(chǎn)生了并行生長(zhǎng)現(xiàn)象?生物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)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(yán)重抑制；在胚胎時(shí)期小鼠的肢體皮膚中,缺少周?chē)窠?jīng)導(dǎo)致動(dòng)脈生成缺陷,而將周?chē)窠?jīng)分枝模式擾亂后,血管分枝模式也隨之改變同時(shí)保持兩者的并行生長(zhǎng)。這些生物實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象又該如何解釋?由此,本文展開(kāi)了基于Meinhardt激活-抑制分枝模型的并行生長(zhǎng)系統(tǒng)建模及機(jī)理的研究。首先,通過(guò)對(duì)激活-抑制分枝模型進(jìn)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(jī)制結(jié)合起來(lái)對(duì)單個(gè)分枝模式形成機(jī)理進(jìn)行研究。 并行生長(zhǎng)系統(tǒng)中,兩種類型的分枝間表現(xiàn)出相互吸引同時(shí)分枝在空間位置上獨(dú)立生長(zhǎng)現(xiàn)象。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn),底物對(duì)分枝的生長(zhǎng)方向具有驅(qū)動(dòng)作用,分枝趨向于底物高濃度生長(zhǎng)。進(jìn)而,假設(shè)并行系統(tǒng)中兩種類型分枝間通過(guò)互相產(chǎn)生對(duì)方需要的底物產(chǎn)生相互吸引作用。此外,引入局部排斥機(jī)制實(shí)現(xiàn)分枝在空間位置上的獨(dú)立生長(zhǎng)。 生物系統(tǒng)中的分枝模式形成過(guò)程中,存在所謂的生長(zhǎng)尖端細(xì)胞對(duì)分枝延伸生長(zhǎng)起著“引擎”作用,為此,進(jìn)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(jìn)行數(shù)值仿真,得到了分枝并行生長(zhǎng)結(jié)果。 最后,為驗(yàn)證并行模型的有效性,對(duì)肺血管-氣道、血管-神經(jīng)并行生長(zhǎng)現(xiàn)象進(jìn)行了仿真研究。利用并行模型,通過(guò)三維數(shù)值仿真得到了肺血管-氣道并行生長(zhǎng)現(xiàn)象,并對(duì)生物實(shí)驗(yàn)中血管對(duì)肺氣道三維分枝結(jié)構(gòu)形成的影響進(jìn)行了仿真解釋。此外,對(duì)于胚胎時(shí)期小鼠肢體皮膚中發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)對(duì)血管分枝模式形成的引導(dǎo)作用,利用并行模型也得到了一致的仿真結(jié)果。由此,說(shuō)明了本文提出的基于側(cè)面相互吸引局部排斥機(jī)理的并行模型在一定程度上能夠解釋生物中并行生長(zhǎng)現(xiàn)象。
【關(guān)鍵詞】：并行生長(zhǎng) 分枝模式形成 肺血管與氣道 血管與神經(jīng)
【學(xué)位授予單位】：南開(kāi)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：Q132
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-20
• 第一節(jié) 研究背景11-13
• 第二節(jié) 研究現(xiàn)狀13-18
• 第三節(jié) 本文的主要工作及章節(jié)安排18-20
• 第二章 分枝模式形成的數(shù)學(xué)模型與分子生物學(xué)基礎(chǔ)20-30
• 第一節(jié) 基于激活-抑制理論的分枝模式形成機(jī)理20-26
• 2.1.1 分枝模式形成的數(shù)學(xué)模型20-22
• 2.1.2 分枝的延伸生長(zhǎng)22-24
• 2.1.3 尖端分枝和側(cè)面分枝的形成24-26
• 第二節(jié) 激活-抑制分枝模型的分子生物學(xué)基礎(chǔ)26-29
• 2.2.1 分枝延伸生長(zhǎng)的分子生物學(xué)基礎(chǔ)26-27
• 2.2.2 分枝定位的分子生物學(xué)基礎(chǔ)27-28
• 2.2.3 分枝模式形成生物調(diào)節(jié)作用與數(shù)學(xué)模型參數(shù)調(diào)整28-29
• 第三節(jié) 小結(jié)29-30
• 第三章 分枝模式并行生長(zhǎng)建模30-43
• 第一節(jié) 并行生長(zhǎng)的分子生物學(xué)機(jī)制31-33
• 3.1.1 分枝組織間的相互吸引作用31-32
• 3.1.2 分枝組織間的吸引排斥引導(dǎo)因子32-33
• 第二節(jié) 基于側(cè)面吸引局部排斥假設(shè)的并行生長(zhǎng)建模33-42
• 3.2.1 分枝模型中底物的驅(qū)動(dòng)作用33-35
• 3.2.2 并行系統(tǒng)中分枝模式相互吸引建模35-38
• 3.2.3 并行系統(tǒng)中分枝模式局部排斥建模38-42
• 第三節(jié) 小結(jié)42-43
• 第四章 基于并行模型的生物并行系統(tǒng)的仿真研究43-65
• 第一節(jié) 基于并行模型的肺血管-氣道并行生長(zhǎng)仿真研究44-60
• 4.1.1 血管分枝模式形成仿真研究44-47
• 4.1.1.1 血管分枝形成的激活-抑制機(jī)制44-46
• 4.1.1.2 MGP轉(zhuǎn)基因小鼠血管分枝模式形成仿真46-47
• 4.1.2 氣道分枝模式形成仿真研究47-51
• 4.1.2.1 氣道分枝形成的激活-抑制機(jī)制47-48
• 4.1.2.2 氣道分枝模式形成仿真48-51
• 4.1.3 肺血管-氣道并行生長(zhǎng)仿真研究51-54
• 4.1.3.1 并行模型對(duì)肺血管-氣道仿真生物依據(jù)探討51-53
• 4.1.3.2 肺血管-氣道并行生長(zhǎng)三維仿真53-54
• 4.1.4 肺間質(zhì)對(duì)肺分支形態(tài)影響仿真研究54-57
• 4.1.5 血管對(duì)肺分枝形態(tài)影響仿真研究57-60
• 第二節(jié) 基于并行模型的血管-神經(jīng)并行生長(zhǎng)仿真研究60-64
• 4.2.1 血管-神經(jīng)并行生長(zhǎng)的分子生物學(xué)機(jī)制60-61
• 4.2.2 神經(jīng)引導(dǎo)血管分枝模式仿真61-64
• 第三節(jié) 小結(jié)64-65
• 第五章 結(jié)論與展望65-67
• 第一節(jié) 結(jié)論65-66
• 第二節(jié) 展望66-67
• 參考文獻(xiàn)67-70
• 致謝70-71
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、學(xué)術(shù)論文與研究成果71

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：388520