项目名称: 胚胎结纤毛运动机理及左右方向信号传递过程:实验与理论模拟研究

项目编号: No.81471752

项目类型: 面上项目

立项/批准年度: 2015

项目学科: 医药、卫生

项目作者: 陈端端

作者单位: 北京理工大学

项目金额: 70万元

中文摘要: 胚胎对左右方向的感知过程是人体及其他脊椎动物正常发育的必要环节。其中,胚胎结纤毛的运动及其产生的单向流场是实现此过程的关键因素。目前,单纯的实验研究难以为纤毛运动机理及单向流场对左右方向信号的传递过程提供直接证据。为弥补这一不足,本课题将结合实验与理论模拟对这两个科学问题进行探讨。我们将基于超高压电子断层数据建立纤毛个体化超微结构模型并嵌入流场,通过有限元、有限体积及流固耦合技术模拟纤毛在内、外力作用下的运动形态。对比高速显微照相数据,推测纤毛内部动力蛋白活动方式。计算所获纤毛运动形态将被整合入胚胎结内环境模型,通过IB-LBM方法模拟多纤毛运动产生的流场。借助粒子图像测速法验证模拟结果,并将流场数据用于对左右方向信息传递过程的研究。此方案所建立的纤毛-胚胎结内环境模拟平台将为纤毛运动机理及胚胎左右区划过程提供更明确的解释,并将应用于结构变异纤毛,探讨其运动障碍机理及与发育疾病的关系。

中文关键词: 胚胎结;纤毛;左右区划;三维有限元;计算流体力学

英文摘要: The left-right differentiation during embryogenesis is necessary for the normal development of human beings and other vertebrates. The nodal ciliary movement and the cilia-driven unidirectional flow are two key factors to this process. Purely experimental studies can hardly provide direct evidence for the mechanism of the ciliary motion or the left-right signal transmission process by the unidirectional flow. To make up this limitation, in this project, we combine experimental observations and computational simulations to explore these two issues. We establish cilium-specific ultrastructure model based on the electronic tomography data via ultra-high voltage electron microscope, and simulate the ciliary motion driven by the dynein activity as well as the viscous force of the surrounding fluid via Finite Element analysis, Finite Volume method and fluid-structure interaction techniques. By comparing the computed ciliary motion to the data captured by high-speed microscope photography, the mechanism of the protein-driven ciliary motility can be proposed. The simulated ciliary motion is integrated into the model simulating the fluid environment of the embryonic node. By employing the IB-LBM method, we simulate the flow motion generated by a number of cilia. The computed results for in vitro situation is compared to particle image velocimetry to validate the model; while, the results for in vivo situation is employed in further studies regarding the sided information transmission process. The proposed computational platform for the ciliary ultrastructure and the nodal environment may further our understandings regarding the ciliary motion and provide more detailed explanations for the left-right differentiation process during embryogenesis. The proposed computational platform can be also applied in the studies of mutant cilia, in order to explore the dysfunction of their movement and the relations of them to the abnormality of the left-right axis establishment.

英文关键词: Embryonic Node;Cilia;Left-right Differentiation;3D Finite Element Analysis;Computational Fluid Dynamics

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