一种新的计算反向建模方法用于细胞引力显微镜,该方法考虑了凝的压缩性
Gabriel Peery1, Toni M West1, Sanjana S Chemuturi1
1James T. Willerson Center for Cardiovascular Modeling and Simulation, Oden Institute for Computational Engineering and Sciences, The University of Texas at Austin, Austin, TX 78712, USA.
bioRxiv : the preprint server for biology
|July 17, 2025
概括
考虑到水凝的压缩性对于精确的3D力显微镜 (TFM) 测量至关重要. 我们新的计算管道纠正了这一点,改善了水凝模块和应变能量的恢复.
科学领域:
- 生物材料科学 生物材料科学
- 计算生物学 计算生物学
- 细胞力学 细胞力学
背景情况:
- 水凝在3D引力显微镜 (TFM) 中表现出显著的可压缩行为.
- 之前的计算模型经常假设不可压缩性,导致不准确.
- 细胞重塑,包括ECM分泌和MMP降解,诱导水凝模块的空间异质性.
研究的目的:
- 开发一个新的计算管道,准确考虑3DTFM中的水凝可压缩性.
- 为了改善空间异质的水凝模块和应变能量的回收.
- 用合成测试案例和实验数据验证管道.
主要方法:
- 开发了一种多阶段的计算算法,以适应3D位移场.
- 在L-BFGS中包含了提霍诺夫规范化,参数逐渐降低.
- 使用FEniCS进行前向模拟,使用FEniCS-adjoint/MOOLA进行梯度计算.
- 根据受影响的水凝体积,加权的自由度.
主要成果:
- 一个不可压缩的材料模型导致了模块的平均相对误差超过415%和5倍更大的张力能量.
- 当忽视压缩性时,预测的引力的错误被放大了10倍.
- 该方法应用于人脑中膜间歇细胞,揭示了局部模块 (3.6Pa至2.4MPa) 的巨大变化.
结论:
- 准确估计局部水凝模块和引力需要考虑水凝的压缩性.
- 开发的计算管道为TFM中精确的生物力学测量提供了关键的工具.
- 这项工作强调了材料压缩性在理解细胞矩阵相互作用方面的重要性.
