基于细胞行为的生物学图式形成的离散模型研究

生物学图式及其形成规律一直是生命科学特别是发育生物学的重要课题；同时也是组织工程中实现体外组织构建的核心科学问题之一。长期以来，对生物图式形成的模型研究的根本不足之处是以数理方法为基础的动力学模型研究和生物学背景的结合不够。因此，本文试图遵循生物图式本身的形成过程，寻求一条与生物学相适配的途径，即以哺乳动物组织发育／活组织工程化构建为目标，以细胞行为为基点，以力学一化学藕合作用为介导，以元胞自动机方法为基础，建立生物学图式形成的一个细胞一环境整体离散模型。应用这一整体离散模型，在不同的控制参数下，对盘基网柄菌的聚集图式和杆菌的生长图式进行了系统的分析，对血管发生（vasculogenesis）的自组装图式进行了初步的新的探索，得到了与实验研究定性上一致的结果。提出了“诱导开关”概念，对盘基网柄菌（Dictyostelium discoideu），杆菌（Bacillus）和血管内皮祖细胞（Endothelial Precursor cells，EPC）三种模式生物，分别以cAMP的信号波前，营养微粒，VEGF的浓度梯度等为诱导开关量。在对盘基网柄菌细胞接收到cAMP后分泌和定向迁移形成的聚集图式的模拟中，系统地考察了影响聚集图式的各种控制参数；一个重要的结果表明细胞初始响应间期对形成的聚集模式有十分显著的影响；引入聚集速度、回转半径、盒质量分布系数等概念对盘基网柄菌的聚集图式进行了一些定量描述的探索。在对杆菌因代谢、增殖、凋亡／衰亡而形成的生长图式的模拟中，系统地定量地分析了在初始营养浓度、营养／代谢物扩散快慢、代谢抑制三者藕合作用下的生长图式；引入定向流动边界，考察了杆菌向营养入口方向的优势生长。在对血管内皮祖细胞经vEGF分子浓度梯度场的诱导进行定向迁移，分化为血管内皮细胞，并自组装形成网状的原初毛细血管丛的模拟中，建立了一个微血管发生自组装图式的新的离散模型，为以后加入力与内皮细胞的相互作用以及血管再生等构建了一个前期模型框架；初步考察了细胞的浓度，细胞分泌vEGF分子的周期，vEGF分子的扩散时间尺度等对血管发生图式的影响因素。