外毛细胞静纤毛不同开角对剪切流体压力的响应

张小盒

目的：正确认识外毛细胞静纤毛的正常排列规律，探讨外毛细胞静纤毛不同开角对剪切流体压力的响应差异。
    方法：取豚鼠双侧耳蜗，扫描电镜下分别拍摄第2到第3回基底膜上面观及纤毛侧面观图像，并截取图像6幅，另参考文献图像4幅，共测量10幅图像的外毛细胞顶部静纤毛开角，对10幅图像同排纤毛角度数据分别计算平均值。参考电镜图像尺寸，分别构建600、900及1300外毛细胞静纤毛的不同排列角度的三维有限元实体模型，三种模型均采用一致材料参数。流体载荷简化为等效剪切流的梯度压力，加载于纤毛的蜗轴面，顶部最大、根部最小。上部不做约束，纤毛根部按固支约束自由度为0。三种模型的载荷及约束条件一致。
    结果：（1）角度统计：第1~3排外毛细胞静纤毛开角方向均朝向蜗轴，随机10例夹角的均值分别为97.60、86.20、74.20，其中最大达1300，最小值600。虽各例标本角度数据存在个体差异，但纤毛角度总体趋势表现一致。第1排开角大，第3排开角小。（2）静力分析：位移分布云图显示，第1排静纤毛位移变形比后二排静纤毛明显，最高达510.7μm，弯曲明显；第2排静纤毛的位移变形最大值198μm；第3排毛细胞静纤毛位移变形量最大值仅141.5μm，比前二排静纤毛整体弯曲小。
    讨论：结果可见外毛细胞第1排静纤毛开角大，位移变形图显示第1排静纤毛变形量最大。这提示有可能第1排静纤毛顺应性好、易弯曲，据此推测，其易弯曲有可能使第2、3排静纤毛更容易对流体响应，从而快速启动其连接（links）部位上的门控开关。模拟结果还显示开角最小的第3排静纤毛位移度也最小，说明该形态结构具有整体抗弯曲强的特性，这种结构有可能阻止淋巴液继续流动，促使其尽快回流，并推动前二排静纤毛更容易从偏斜状态复位。文献报道可见三排外毛细胞中，第1排静纤毛转位最多，这有可能是第1排静纤毛面对内沟细胞方向的流体作用，相对承受较大力；其次，流体在耳蜗中的应力分布是不均一的，静纤毛长期受复杂流体作用，在生长或修复过程中是否会因适应流体力学变化而产生转位。
    结论：第1排静纤毛比第三排静纤毛开角大，对力敏感、容易弯曲，第3排静纤毛比第1排静纤毛整体抗弯力强。

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