北京基尔比微重力系统——重力环境中白细胞的行为改变及影响免疫功能

 

🧭 一、Kilby Gravity 微超重力三维细胞培养系统

1.1 研究背景

随着太空探索和人类航天任务的增加，微重力环境对人体生理功能的影响成为重要研究方向。已有研究发现，宇航员在太空中会出现：

• 骨质流失
• 肌肉萎缩
• 血浆容量减少
• 免疫功能障碍（如白细胞减少、NK细胞活性下降等）

白细胞（WBC）是人体免疫系统的重要组成部分，其运输依赖于血液和淋巴流。在微重力环境中，由于缺乏沉降和对流，WBC的行为可能发生改变，进而影响免疫功能。

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1.2 研究目的

本研究旨在通过计算建模（使用耗散粒子动力学 DPD 方法），模拟WBC在不同重力条件下的行为，揭示其形态、空间分布、受力等方面的变化，从而帮助理解免疫功能障碍的物理机制。

🧪 二、研究方法

2.1 模拟方法：耗散粒子动力学（DPD）

DPD 是一种介观尺度的模拟方法，适用于模拟流体与柔性颗粒（如细胞）之间的相互作用。模型中将WBC简化为由100个粒子组成的环形结构，模拟其膜、细胞质等特性。

模拟中施加了从 0g（微重力）到 2g（超重力）的重力参数。

2.2 模拟参数

• 模拟温度：310K（人体正常体温）
• 时间步长：0.001，总模拟时间：150秒（物理时间）
• 模拟区域：202.5rc × 20rc（rc为截断半径）
• 粒子总数：约16,000个
• 重力施加方向：垂直方向（y轴）

📊 三、主要研究结果

3.1 细胞形态变化

通过以下指标量化细胞形态变化：

• 伸长指数（Elongation Index, EI）
• 变形指数（Deformation Index, DI）
• 俯仰角（Pitch Angle）
• 归一化质心位置（YCoM）

结果：

随着重力增加，WBC的质心位置下移，细胞更靠近血管壁。

微重力下，细胞倾向于悬浮在通道中央。

统计检验（Mann–Whitney U检验）显示，重力变化对细胞形态和位置有显著影响（p < 0.001）。

3.2 细胞受力分析

分析了细胞所受的三种主要力：

• 阻力（Drag Force）
• 剪切应力（Shear Stress）
• 总力（Total Force）

结果：

随着重力增加，细胞所受的阻力、剪切力和总力均显著减小。在微重力（0g）下，这些力达到最大值。说明重力对细胞运动有抑制作用，重力越大，细胞速度越慢，受力越小。

3.3 无量纲数分析

引入四个无量纲数来分析系统中不同力的主导作用：

• Galileo数（Ga）：重力与粘性力之比
• Ohnesorge数（Oh）：粘性力与表面张力之比
• Weber数（We）：惯性力与表面张力之比
• Bond数（Bo）：重力与表面张力之比

结果：

Oh、We、Ga 随重力增加而减小，Bond数随重力增加而增加

表明在微重力环境中，毛细力和表面张力对细胞行为的影响更为显著

3.4 白细胞与红细胞对比

• RBC（红细胞）比WBC更柔软，无细胞核，变形能力更强。
• 在0g条件下，RBC的伸长和变形指数均高于WBC。
• WBC在微重力下面积减小，RBC面积增加，显示出不同的响应机制。

🔍 四、结论与展望

4.1 研究结论

• 白细胞在不同重力条件下表现出明显的形态和空间分布变化。
• 重力增加会抑制细胞运动，减少其所受流体动力。
• 微重力下，毛细力和表面张力主导细胞行为。
• 细胞刚度影响其对重力的响应，刚度越大，变化越小。

4.2 研究意义&未来方向

为理解太空中免疫功能下降提供了物理机制支持。为将来太空医学、微流控芯片设计、航天器生命保障系统提供理论依据。

拓展模型至三维空间，模拟更多细胞类型和数量。结合实验数据，进一步验证模型预测。探索细胞骨架、信号传导等分子机制对重力响应的影响。

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