纤毛细胞的三维图示。照片/ iSTOCK。
纤毛是沿着支气管(肺部的空气通道)发现的微小毛发状结构，是抵御环境污染物、病毒和细菌的第一道防线。但我们对它们是如何排列的、如何移动的，甚至是如何定位的都知之甚少——所有这些因素都可能影响它们如何保护和保护我们的呼吸道。
在美国国立卫生研究院来自南加州大学维特比工程学院的研究人员bob国际首页登录南加州大学凯克医学院正在努力将纤毛行为的数学模型与生物和病理(致病)后果联系起来。换句话说，他们希望更好地了解改变纤毛跳动方式或纤毛间隔方式的变量如何影响一个人的健康。
研究的主要内容是伊娃Kanso他是bob国际首页登录南加州大学维特比航空航天和机械工程教授，以及凯克大学医学助理教授艾米·瑞安。
Zohrab A. kaprilian工程研究员Kanso说:“我们想首先了解健康肺部的正常变化是什么，然后再了解病理变化。如果我们能将这些观察结果映射到潜在的病理，我们就能更好地理解纤毛的结构——分布、协调、极性、密度——如何影响实际功能——它们如何移动粘液，它们在某个方向上的清理效果如何。”
Kanso说，研究小组从三个角度研究纤毛。她说:“首先，我们正在研究实际的人类肺部，考虑到COVID-19，现在这是非常及时的。”“有很多问题我们都不知道答案，比如纤毛从上呼吸道的分布，到它们何时开始分叉成更小的分支。分布取决于你在肺中的位置。
纤毛的数学建模回答关键问题
在Kanso的实验室里，这种探索是通过数学模型来完成的。“我们有单个纤毛的模型，我们把它们结合在一起，观察一组纤毛的协调能力。我们关注功能和传输流，操纵各种参数，”她说。
坎索说，纤毛自发地协调，形成一种波状图案，这对流体的输送很重要。“这种波有一个明确的传播方向，它会把传播方向上的所有东西(细菌等)都扫出去。”
Kanso说，在数学模型中，你可以改变纤毛之间的间距、单个搏动、极性等，看看它如何改变出现的协调性，最终改变纤毛的相应功能及其运输流量。她说，对波动模式产生负面影响的参数可能会提供有关病变肺的外观和功能的线索。
对人类健康的影响
Ryan说，从生物学的角度来看，这项研究可以为以纤毛功能障碍为特征的遗传和获得性气道疾病提供重要的新见解。
“除了大大增加我们对疾病对气道功能特性影响的理解之外，数学模型的开发可能会应用于纤毛病诊断，以预测疾病的进展。”瑞安说，目前的诊断技术需要非常具体的科学专业知识，这使得它们具有挑战性。
“展望未来，我们的长期目标是将实验室模型与计算模型结合起来，创建一种医疗工具，可以帮助评估针对肺部疾病的治疗方法，其特征是粘液纤毛清除不良，或气道中自我清除方法功能不良，”Ryan说。
国家卫生研究院的奖金是四年230万美元。
出版于2021年7月14日
最后更新于2022年4月17日
