Karkhaneh Yousefi, Ali Akbar; Petit, Claudie; Ben Hassine, Amira et al. · 2023 · J. Mech. Behav. Biomed. Mater.
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Authors: Karkhaneh Yousefi, Ali Akbar; Petit, Claudie; Ben Hassine, Amira; Avril, Stéphane
📄 Quick Note¶
摘要概述¶
本文提出了一种基于连续介质力学的主动脉平滑肌细胞 (aortic SMCs) 刚度感知模型，核心创新在于将 acto-myosin 收缩性用"热应变类比" (eigenstrain αΔT) 来建模：每根 stress fiber 满足一个由 Young's modulus、收缩系数 α、myosin 激活水平 ΔT、弹性极限系数 ξ 和软化模量 E'SF 决定的通用应力-应变关系，其中 ΔT 服从 Weibull 分布以刻画细胞间变异性。模型在 Abaqus 中对大量随机排布 stress fiber 的虚拟 SMC 群体进行有限元仿真 (300 cells/组)，与两种细胞系 (ASMC_1 商业系 + ASMC_2 动脉瘤原代培养) 在 4/8/12/25 kPa 基底上的 TFM 实验进行了标定和验证，结果表明引入软化行为后模型能精确再现"12 kPa 最优刚度处牵引力最大、之后下降"的实验趋势，同时成功预测了群体统计分布。进一步计算发现基底刚度增大时核膜和核内 von Mises 应力持续升高 (不像 focal adhesion 牵引力那样在 12 kPa 后下降)，提示细胞骨架力可经 perinuclear actin cap / LINC 复合体直接传递到细胞核、潜在影响基因表达。
关键图表¶
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Fig. 1 — Stress fiber 的简化应力-应变曲线：OA 段线性 (斜率 ESF)，超过 σmax 后进入软化段 (斜率 E'SF)，对应 actin-myosin 丝滑动效应。五参数模型的核心图示。
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Fig. 5/7 — ASMC_1 和 ASMC_2 两种细胞系在 4-25 kPa 基底上牵引力的模型预测 vs. TFM 实验对比：含软化 (蓝线) 的模型与实验高度吻合，无软化 (绿线, ξ=1) 则无法再现高刚度区牵引力下降趋势。
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Fig. 9/10 — 核膜力学性质和细胞宽度对核内应力的影响敏感性分析：细胞越宽牵引力线性增大，且核内应力升高幅度大于核膜；核膜越硬核内应力反而降低，揭示了 cytoskeleton-nucleus 力学耦合的非直觉行为。
与我的关联¶
该工作用 eigenstrain 类比热应变来建模 stress fiber 主动收缩，思路简洁且可嵌入 FE 框架，对我们在 FEniCS 中实现 SMC 主动收缩 (active tone) 的 G&R 模型有直接借鉴意义；其"基底刚度→核应力→基因表达"的力学传导链条也与血管壁力学稳态及动脉瘤机理相关。