模式动物循环系统自适应数学模型研究

Mathematical models of the physiological systems of model animal are important for biological and medical research. The project aims to build a mathematical model of the circulatory system of zebrafish, as a representative of model animals. The tasks include whole and local blood flow kinetic models, tissue metabolism/regulation model of oxygen and carbon dioxide, structure and blood flow mechanical adaptive adjustment model, and animal experiments will be conducted to obtain the length, diameter, blood pressure and other vascular network parameters. The project will focus on the key issues, as the measurement of the tiny blood vessels of zebrafish, the oxygen and carbon dioxide regulation mechanism, and the coupling of metabolic and blood flow dynamics models. The proposed model describes the tissue metabolism /regulation signal transfer process in the vascular network of blood vessels, which is characterized by adaptive regulation function. The model is able to simulate the dynamic characteristics of zebrafish circulatory system, investigate the effect of the hemodynamic environment, blood flow shear stress, and vascular endothelial growth factor on angiogenesis as well as the tumor suppressor pathway.

模式动物生理系统数学模型对于生物和医学研究具有重要意义。本项目研究目的是建立斑马鱼为代表的模式动物血液循环系统数学模型，研究内容包括斑马鱼整体和局部血流动力学模型，氧气及二氧化碳的组织代谢/调控模型，循环系统结构和血流动力学自适应调节模型等，并进行动物实验获取建立模型所需的长度、管径、血压等血管网络参数。本项目研究将重点解决模式动物微小血管物理特性测量、氧气和二氧化碳调控机制、代谢模型与血流动力学模型耦合等关键问题。拟建立的循环系统模型描述了组织代谢/调控信号在血管网络中的传递过程，并具有自适应调节特性。模型可仿真斑马鱼循环系统的动态特性，用于研究血流动力学环境、血流剪切力模式、血管生长因子对血管生成过程的影响，以及肿瘤抑制途径等。

本项目进行了模式动物自适应模型研究并取得了以下成果：1、建立了真实血管网络数学建模关键技术。完善了模式动物的血流动力学参数测试方法，基于真实的动物微血管网络，解决了包含有微动脉、毛细血管和微静脉的复杂网络的数学建模方法；建立了血流动力学模型与流变学模型的耦合方法，为宏观模型与微尺度模型的整合难题提供了一种解决方案；提出了模式动物微血管模型中血流脉动性的表征方法，以及模式动物微血管网络调控模型。2、模型应用与调控机制研究。基于模型描述了在不同性质血管中脉动性的变化规律，发现脉动血流情况下有异于稳态血流状况的血管生理变化，脉动血流会促进微循环网络的血流灌注，增强组织生理功能；完整地实现了真实血管网络中血流脉动性变化-钙离子通道-NO产生和释放-NO扩散-血管管径调控路径，解释了脉动性介导的血管网络调控机制。3、获得1项浙江省科技进步二等奖，取得1项发明专利和2项软件著作权，发表13篇标注学术论文（包括7篇SCI收录论文）。4、我们的工作得到了同行的肯定，项目负责人被邀请在第一届Chinese Microcirculation Week会议上做了题为Modelling the Flow Pulsatility in Microcirculation Network大会报告；项目组主要成员获得了第十届世界微循环大会（10th World Congress for Microcirculation）最佳Post奖，并受邀到德国Charité医学中心从事博士后研究。