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2022年01月08日
中国科大在生物力学领域取得重要进展

中国科大工程科学学院近代力学系姜洪源课题组建立了上皮组织断裂破坏的理论模型,揭示了上皮细胞单层的脆韧转变机制,相关研究成果以“Activation of Topological Defects Induces a Brittle-to-Ductile Transition in Epithelial Monolayers”为题,在线发表于1月5日的《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 128, 018101 (2022)]。

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。此外,胚胎发育过程中的应力大到足以使组织弯曲和折叠,并推动大脑皮层、肠绒毛和视杯的形貌发生。因此,为了保证在机械载荷下的完整性,上皮组织的力学性能必须足够优异。

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;粘附蛋白和肌动蛋白细胞骨架调控因子有缺陷的患者需要面临比平常人更加脆弱和容易受损的上皮组织屏障功能;甚至一些简单生物体(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,但是上皮组织在机械力作用下的断裂失效机制还不清楚,而且目前也缺乏可以描述上皮组织断裂破坏的理论模型。

图1.细胞单层的拓扑转变

针对以上问题,姜洪源课题组通过引入一种新的拓扑转换(T4转变),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,其塑性变形来源于细胞单层内部与石墨烯等二维材料中常见的拓扑缺陷类似的“5-7缺陷”的形核和扩展。最后,该团队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。

图2.细胞单层的脆韧转变

中国科大工程科学学院博士生陈怡遐为该论文的第一作者,姜洪源教授为通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金,中科院先导等项目的支持。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.018101


工程科学学院近代力学系、科研部)

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