超声空化下内皮细胞网络动态损伤的理论与实验研究

内皮细胞(Endothelial Cells)在血管系统中扮演着至关重要的角色,它们通过细胞间连接(Intercellular Junctions, IJs)调节止血、血管舒张、免疫和炎症反应。然而,过度的机械负荷会导致内皮细胞损伤和内皮屏障功能障碍。理解细胞间连接的动态破裂机制对于探索肿瘤破坏、血管重塑和药物输送等实际应用具有重要意义。超声空化(Ultrasound Cavitation)作为一种新兴的技术手段,能够通过气泡的振动和破裂产生局部高能量,从而对软组织造成损伤。然而,超声空化对内皮细胞网络的损伤机制尚不明确,这限制了其在医学领域的精确应用。因此,本研究旨在通过理论建模和实验验证,揭示超声空化对内皮细胞网络的动态损伤机制。

论文来源

本论文由Chuangjian Xia、Jiwen Hu、Kun Zhou、Yingjie Li、Sha Yuan和Qinlin Li共同撰写,研究团队来自中国南华大学的数学与物理学院、衡阳医学院和电气工程学院。论文于2024年11月28日在线发表在《Cellular and Molecular Bioengineering》期刊上,题为“Theoretical and Experimental Studies of the Dynamic Damage of Endothelial Cellular Networks under Ultrasound Cavitation”。

研究流程与细节

1. 理论建模

研究团队首先建立了一个基于复合六边形结构的细胞网络模型,模拟内皮细胞间的连接。假设细胞间连接由非线性弹簧系统组成,具有粘弹性和阻尼特性。模型考虑了三种类型的连接方式:细胞间连接、细胞内部纤维连接以及细胞与基质的连接。通过引入应力松弛(Stress Relaxation)和应变累积(Strain Accumulation)方法,模拟了细胞网络在外部力作用下的动态响应。

2. 数值模拟

研究采用Runge-Kutta(4,5)方法对模型进行数值求解,模拟了不同外部力条件下细胞网络的损伤演化过程。通过调整力幅值(Force Amplitude)、驱动频率(Driving Frequency)和脉冲频率(Pulse Frequency),分析了细胞网络损伤的累积效应。模拟结果显示,细胞网络的损伤与力幅值和脉冲频率呈正相关,与驱动频率呈负相关。

3. 实验验证

实验部分使用人脐静脉内皮细胞(Human Umbilical Vein Endothelial Cells, HUVECs)作为研究对象。实验装置包括一个单元素聚焦超声换能器(Focused Ultrasound Transducer),用于产生超声空化效应。通过显微镜观察和图像处理软件ImageJ,研究人员记录了HUVECs在不同超声能量和脉冲频率下的损伤形态。实验结果表明,超声空化对内皮细胞网络的损伤具有明显的累积效应,且损伤率与超声能量呈正相关。

主要结果

1. 应力-应变响应

模拟结果显示,细胞间连接的应力-应变响应具有显著的非线性特征。在应变小于0.02时,应力与应变呈正相关;在应变介于0.02到0.05之间时,连接进入强化阶段;当应变超过0.05时,连接进入压缩阶段,最终导致破裂。这一结果与纤维蛋白纤维的力学行为一致。

2. 细胞损伤累积

模拟和实验均表明,细胞网络的损伤具有明显的累积效应。在低载荷条件下,细胞损伤在1800个周期后开始显著增加;而在高载荷条件下,损伤率在3000个周期后达到60%。实验进一步验证了模型的有效性,表明超声空化对内皮细胞网络的损伤具有阈值效应,当超声能量超过0.3 J时,损伤显著增加。

3. 损伤形态演化

模拟和实验均观察到细胞网络的撕裂和细胞迁移现象。随着外部力的持续作用,细胞间连接逐渐断裂,形成较大的间隙,部分细胞脱离原有位置并聚集形成“细胞岛”。这一现象与超声空化实验中的观察结果高度一致。

结论与意义

本研究通过理论建模和实验验证,揭示了超声空化对内皮细胞网络的动态损伤机制。研究结果表明,细胞网络的损伤与外部力的幅值、频率和脉冲频率密切相关,且损伤具有累积效应。这一发现为超声空化在肿瘤治疗、血管重塑和药物输送等领域的应用提供了重要的理论依据。此外,本研究提出的细胞网络模型为理解内皮组织的损伤机制提供了新的平台,有助于开发更有效的预防和治疗方法。

研究亮点

  1. 创新性模型:首次将复合六边形结构应用于内皮细胞网络的建模,考虑了细胞间连接的非线性和粘弹性特性。
  2. 多尺度验证:通过数值模拟和实验验证相结合,全面揭示了超声空化对内皮细胞网络的损伤机制。
  3. 应用价值:研究结果为超声空化在医学领域的精确应用提供了重要的理论支持,特别是在肿瘤治疗和药物输送方面。

其他有价值的信息

研究团队还发现,低频超声更容易引起细胞网络的损伤,这为超声空化技术的参数优化提供了重要参考。此外,研究提出的模型可以进一步扩展到其他类型的细胞和组织,为生物力学研究提供了新的工具。