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LaBelle, Steven A.; Soltany Sadrabadi, Mohammadreza; Baek, Seungik et al. · 2025 · J. Biomech. Eng.

Metadata

Authors: LaBelle, Steven A.; Soltany Sadrabadi, Mohammadreza; Baek, Seungik; Mofrad, Mohammad R. K.; Weiss, Jeffrey A.; Arzani, Amirhossein

DOI: 10.1115/1.4068290

Tags: #vascular-G&R #finite-element #continuum-mechanics #systems-biology

📄 Quick Note

摘要概述

本文提出了一套将 kinematic growth (KG) 理论与 mechanosensitive systems biology 耦合的 multiscale 建模框架，用于模拟软组织的 growth & remodeling (G&R)。在细胞尺度，生化信号网络由 ODE（mass-action kinetics）或 PDE（含扩散的 reaction-diffusion）描述；在组织尺度，采用 Rodriguez et al. 的 multiplicative decomposition F = Fe Fg 构建连续介质 KG 模型。作者在两个开源有限元软件 FEBIO 与 FENICS 中分别实现了该框架，并通过 tissue graft 和 aneurysm 两个测试问题进行了 cross-verification。核心发现包括：two-way coupling（应力反馈影响生化参数）相比 one-way coupling 产生更均匀的生长分布，对应 homeostatic negative feedback；扩散系数增大使局部 morphogen 驱动的生长趋于均匀化，在 aneurysm 案例中甚至使血管增厚而非形成动脉瘤；FEBIO 与 FENICS 结果近乎一致，验证了实现正确性。

关键图表

  • Fig. 2：两个测试问题的示意图——(a) cubic tissue graft 沿 Z 方向 line-type growth，物种 A 有空间变化的产生率，物种 C 驱动生长；(b) 血管在 TGFb 驱动的 logic-based signaling network（TGFb→MAPK/Smad→MMP/TIMP）下发生 area-type growth。清晰展示了耦合策略与几何/边界条件。

  • Fig. 3 & Fig. 8：分别展示 graft（cases 1-2）与 aneurysm（cases 1-3）的生长结果，对比 one-way vs two-way coupling。FEBIO 与 FENICS 结果并排比较，差异量化用 quantile 色标（5%蓝/50%灰/95%红），差异量级比数据场本身低数个数量级，验证 cross-verification 成功。

  • Fig. 11：MMP 活性对 TGFb 的稳态敏感性曲线呈 nonmonotonic 关系，MMP 在 TGFb 约半最大值时达峰；解释了 case 3 中 TGFb 翻倍导致 MMP 空间去局域化从而形成 double aneurysm 的机制。

与我的关联

该工作直接与我的 SMC G&R 研究相关——它提供了在 FENICS 中实现 kinematic growth + mechanosensitive signaling 的开源范式，其中的 multiplicative decomposition、bandpass growth rate function 和 stress-sensitive sigmoid coupling 策略可作为我构建 vascular G&R 模型的方法参考，特别是 mechanosensitive systems biology 的 coupling 方式对我的课题有直接借鉴价值。