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纤维化扩展中旁张力信号介导的肌成纤维细胞和纤维细胞通讯
《美国国家科学院院刊》( PNAS)在线发表了清华大学医学院生物医学工程系和清华-北大生命联合中心杜亚楠教授研究组题为“纤维化扩展中旁张力信号介导的肌成纤维细胞和纤维细胞通讯”(Matrix-transmitted paratensile signaling enables myofibroblast-fibroblast crosstalk in fibrosis expansion)的研究长文。该研究应用单细胞力学刺激和体外仿生模型结合数学模型计算,系统探究了基质材料介导的力学信号在细胞间通讯的时空作用模式、分子基础,及其在纤维化发展蔓延过程中的作用,为细胞间力学信号介导的成纤维细胞(FB)-肌成纤维细胞(MF)互作提供了直接证据,并将这种纤维化发展进程中基质纤维介导的新型细胞间通讯模式命名为 “旁张力信号”(Paratensile signaling)。组织器官在受到损伤之后,会发生损伤修复,诱发组织纤维化。如果没有有效的控制措施,慢性纤维化疾病会最终导致组织硬化,诱发器官衰竭。有研究表明,在现代社会死亡病例中有将近50%与组织器官的慢性纤维化相关,包括此次新冠肺炎,会伴有肺部纤维化,重症患者纤维化进一步蔓延可导致呼吸衰竭,肺部纤维化也是愈后后遗症的重要风险因素之一。成纤维细胞的持续激活是各类组织纤维化中的主要诱因,在组织器官受到损伤或病毒感染之后,组织内的成纤维细胞FB会受到“旁分泌因子”(paracrine factors),例如TGF-b,PDGF等诱导,激活分化成为肌成纤维细胞MF,并分泌大量的细胞因子及细胞外基质,造成更广泛的成纤维细胞激活和组织硬化,进而引起组织器官内纤维化区域蔓延。除了感知化学信号,部分研究显示体外细胞会导致细胞外基质生物化学及生物物理性质的改变,也有研究表明细胞能够感受细胞外基质的物理特性,比如硬度、粘弹性等并作出响应。2017年,杜亚楠课题组发表于《自然·材料》的研究发现,在肝脏纤维化早期,肝窦内皮细胞可通过胶原纤维束传递力学信号激活星型细胞,导致肝脏纤维化蔓延。但是到目前为止,纤维化进展过程中细胞外基质材料介导的细胞间力学通讯的模式是否保守,以及其在组织器官内的蔓延模式、相关分子机制尚不明确。图1 组织纤维化扩展中旁张力信号介导的细胞间机械通讯示意图旁张力信号包含三个过程,一、力学信号的产生;二、力学信号在细胞外基质传递;三、周围细胞接受力学信号刺激作出响应。此过程介导了纤维化区域在组织内的扩张蔓延。研究团队首先在单细胞和多细胞水平上,通过统计FB和MF细胞收缩力和互作结果,显示细胞间存在基于胶原纤维化介质的细胞间通讯。为了进一步证明细胞间的机械通讯行为,团队建立了基于原子力显微镜可通过胶原纤维对单细胞施加可控、细胞级别力刺激的研究平台,利用该平台尽可能去除旁分泌等化学信号对细胞造成的影响。团队研究了来源于不同组织(肝脏、心脏和皮肤)的成纤维细胞对于旁张力信号的响应模式,即旁张力信号作用机制的三个过程:力的产生-力学信号在细胞外基质传递-临近细胞感受力学信号作出响应;研究发现距离施力细胞70微米 之外的细胞能在1秒之内对旁张力信号作出响应,并且初步证明细胞表面胶原蛋白受体Integrin/DDR2和机械力敏感钙离子通道Pizeo1介导了细胞间力学信号向细胞内生物化学信号的转变。 基于实验现象,团队进一步建立了基于单纯旁张力的数学模拟计算方法(Fibroblast - Myofibroblast Populated Collagen Lattice model, FMPCL),利用该数学模型可重现体外实验结果,包括细胞力产生、胶原纤维束的聚集及旁张力信号介导的成纤维细胞的激活,同时可预测在单细胞、多细胞水平下细胞间作用距离对于细胞激活的程度。在细胞水平研究的基础上,进一步结合微加工技术、组织工程手段和报告基因系统,分别构建了可模拟纤维化蔓延界面的体外纤维化灶扩展( fibrotic foci expansion)模型和可模拟心脏纤维化扩展的体外仿生模型,并结合数学仿真,发现在纤维化组织和正常组织交界面(border zone)存在广泛的MF-BF细胞间旁张力通讯,导致界面不断扩展、纤维化区域蔓延。使用激光切割技术切断介质胶原纤维束,能够显著的阻断纤维化区域的蔓延。同样,阻断细胞间旁张力通讯能够抑制体外仿生模型中心脏纤维化的蔓延,证明了旁张力信号在组织纤维化扩展蔓延中不可或缺的作用(图2)。图2 纤维化蔓延界面和心脏纤维化仿生体外组织模型和数学模型在纤维化蔓延界面体外(A)和数学模拟(B)仿生模型中,在未干预的情况下,纤维化区域呈现显著蔓延并伴随着成纤维细胞的激活。通过显微切割技术切断纤维化界面的胶原纤维阻断旁张力信号,纤维化蔓延趋势得到显著抑制。同样在模拟心脏心室壁的组织纤维化模型和数学模拟模型中(C),在未干预情况下均出现显著纤维化蔓延,但是经过小分子BAPN处理抑制胶原纤维重塑,纤维化区域的蔓延得到抑制。该研究为细胞外基质材料介导的细胞间机械通讯提供了直接证据,“旁张力”细胞间通讯模式是对现有基于生化因子的“旁分泌”信号机制的重要补充(见视频),为纤维化病理研究提供了新视角,为临床干预纤维化疾病提供了新思路。清华大学医学院生物医学工程系教授、北大-清华生命联合中心研究员杜亚楠为本论文通讯作者,杜亚楠研究组已毕业博士刘龙伟、硕士于鸿升为本文的共同第一作者。杜亚楠课题组已毕业博士赵辉、鄢晓君,在读博士生龙艺、吴钊钊、尤志峰、周律等对此项工作有重要贡献。该研究得到了北京市自然科学基金、北京市自然科学技术委员会和国家自然科学基金的资助。文章链接:https://www.pnas.org/content/early/2020/04/30/1910650117?from=groupmessage&isappinstalled=0
清华大学 2021-04-11
基于聚类强化学习的城市道路交叉口交通信号优化方法
一种基于聚类强化学习的城市道路交叉口交通信号优化方法,该方法涉及智能优化技术领域,可以提高单位时间内通过道路交叉口的车辆数。道路交叉口是道路网的重要组成部分,也是路段交通流的瓶颈。研究显示,城市平面交叉口的通行能力只相当于路段上的40%-50%。平面交叉口所消耗的时间约占全程时间的31%,而车辆行驶延误时间中有80%-90%由平面交叉口延误造成。提高城市平面道路交叉口的通行能力,可以减少车辆延误,节约人们的出行时间,增强人们的出行安全,并能够减轻环境污染。  本发明能够根据交叉口的 交通状态自动选择合适的相位动作,以适应交叉口交通状况的变化,能够提高单位时间内通  过交叉口的车辆数,减少车辆延误。与其他聚类强化学习方法的不同之处在于,本发明在学 习过程中,能够根据回报值的标准差动态地增加或减少质心数,能在保证强化学习收敛的前  提下尽可能地减少质心数,从而尽可能减少Q值函数存储空间、提高收敛速度,使交通信号控制策略更快地适应当前交通流情况,从而尽可能减少交通延误。
青岛大学 2021-04-13
一种基于电压信号复合前馈的构网型VSG输出功率解耦方法
本发明公开了一种基于电压信号复合前馈的构网型VSG输出功率解耦方法,涉及电力电子控制技术领域,对构网型VSG功率同步控制的变流器输出电压信号复合前馈实现构网型变流器并网系统及实现变流器输出功率解耦的方法。包括构网型VSG功率控制模块、电网参数检测单元、线路阻抗观测器、虚拟阻抗压降前馈环路以及电压信号二次前馈环路。本发明的复合前馈控制策略结合虚拟阻抗和电压幅值与功角补偿,显著减弱了有功与无功功率的耦合作用,实现了高效解耦,适用于复杂电网环境。
南京工程学院 2021-01-12
鼎软天下TMS运输管理系统 实现物流运输管理全链路数智化管控
鼎软天下TMS运输管理系统,作为国内TMS系统市场中知名度与成熟度兼具的标杆产品,凭借强大的场景适配能力,广泛适用于制造业、三方物流、电商零售、冷链运输、跨境物流等多个领域。
山东鼎软天下信息技术有限公司 2025-11-07
面向高性能人机交互的脑-机-体复合神经感知与反馈的系统解决方案
天津大学神经工程团队针对人机交互面临的神经系统层面交互信息复杂共性挑战,历时十余年,发明了一套面向高性能人机交互的脑-机-体复合神经感知与反馈的系统解决
天津大学 2021-04-14
一种基于 3D 协同滤波与低秩矩阵重建的视频去噪方法及系统
本发明提出了一种基于 3D 协同滤波与低秩矩阵重建的视频去噪系统及方法,本发明首先对含噪视频进 行 3D 协同滤波预处理,得到基础估计然后对基础估计再进行低秩矩阵重建来进行进一步的去噪,来得到最 终估计;本发明主要应用于视频去噪中,特别是应用于基于 3D 协同滤波与低秩矩阵重建的视频去噪;同时 本发明所提出去噪方法也适用于图像的去噪,对于较大分辨率的图像、视频源也具有良好的去噪效果;此外, 本发明不仅对单纯的高斯噪声具有良好的去噪效果,同时对含
武汉大学 2021-04-14
一种针对偏振光束与磁光材料作用下偏振态时间分辨谱的检测 系统
本发明属于偏振检测设备领域,并公开了一种针对偏振光束与 磁光材料作用下偏振态时间分辨谱的检测系统,该检测系统包括高压 脉冲发生器、火花隙、电光 Q 开关、连续激光器、飞秒激光器、聚光 透镜、第一偏振棱镜、第二偏振棱镜和偏振测量仪;连续激光器用于 产生连续激光;第一偏振棱镜用于使所述连续激光的 P 偏振光通过; 飞秒激光器产生的脉冲激光可打开电光 Q 开关,从而让所述测量光束 依次穿过电光 Q 开关、第二偏振棱镜后和磁
华中科技大学 2021-04-14
大豆生物加工与高值化利用关键技术与产业化
我国是世界上最大的植物油料加工和消费国,总量近 1.5 亿吨,在国家食品安全体系中举足轻重。植物油料加工长期以来以压榨法和浸出法制油、碱溶酸沉制蛋白、化学精炼油脂为技术主线,普遍存在:1)加工条件剧烈、能耗高、溶剂残留、环境污染;2)蛋白功能性差、组分高值化利用率低;3)生物精炼连续性差、附加值低等共性关键问题。本项目在国家自然科学基金重点项目、国家“863 计划”、国家科技支撑计划等重大项目支持下,历经 13 年持续攻关,以现代生物技术为手段,突破植物油料生物解离关键技术为核心、组合发明生物解离产物及油脂的高值化利用成套技术,形成了植物油料全产业链新一代加工技术体系。 项目已获授权发明专利 45 件,申请国际专利(PCT)3 件,出版著作 10 部,发表相关论文 205 篇(SCI/EI106 篇),主持制定或参与国家、行业标准 10 项。项目已获中国轻工业联合会技术发明一等奖、中国发明协会发明创业成果一等奖、黑龙江省技术发明一等奖、中国食品科学技术学会技术发明一等奖等省部级以上科技奖励 14 项。 项目技术主要用于生产有机大豆油脂、大豆蛋白肽以及大豆膳食纤维等产品,项目目前已通过中试实验。项目计划投资预计 2 亿元,建设规模为加工原料豆 20000 吨/年,项目达产后预计年销售额为 3.6 亿元人民币。通过该项目的实施,将打破了国外在高端油脂和蛋白产品生产上的技术垄断,增强了企业的核心竞争力。
东北农业大学 2021-05-10
基于采动裂隙场变化的煤与瓦斯共采理论与技术
西安科技大学自 1998 年开始对我国煤与瓦斯共采基础理论进行研究,成果获陕西省科学技术二等奖,出版专著 2 部,发表论文 40 余篇(其中 SCI 、 EI 收录 12 篇, ISTP 收录 5 篇),获专利 5 项。研究成果已在山西省天池煤矿等多个高瓦斯矿井进行了煤与瓦斯共采技术验证,有效指导了煤矿现场的瓦斯抽采工作,实现了矿井的安全生产,具有良好的社会和经济效益。
西安科技大学 2021-04-11
水污染治理与水体修复生态工程关键技术研发与推广
已有样品/n工程项目立足湖北,辐射全国。规划、建设了武汉六湖水体生态修复、“大东湖”生态水网、北京奥林匹克森林公园人工湿地、杭州西湖水质改善与水生植被恢复等工程。在全国范围内推广建设工程500余项,其中湖北80余项;累计水处理规模231.19万吨/天,削减COD6.73万吨/年,实施水域面积187.3km2。受污染地表水经处理后出水主要水质指标均可提高1-2个等级,显著改善了区域生态环境。成果应用推广中形成了技术研发、工程设计、建设与运营管理结合的生态工程产业技术创新链和产业集群,引领了湖北乃至全国
中国科学院大学 2021-01-12
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