Tatyana Gavrilchenko 是计算生物学中心的 Flatiron 研究员。学分：约翰斯莫克与我们不同，昆虫没有肺。相反，称为气管的复杂微管管道系统将氧气输送到整个身体。
在Flatiron Institute ， Tatyana Gavrilchenko模拟了果蝇的气管。但她的结果不仅适用于昆虫生理学。这项基础性工作正在帮助科学家了解生物分布网络如何输送营养，这在研究静脉和动脉结构以及人造器官的开发中都有应用。
Gavrilchenko 于 2019 年作为熨斗研究员加入熨斗研究所的计算生物学中心(CCB)。在此之前，她获得了宾夕法尼亚大学的物理学博士学位。
Gavrilchenko 最近与西蒙斯基金会谈到了她的工作和人造器官的未来。为清楚起见，对对话进行了编辑。
你目前在做什么项目？
从广义上讲，我对生物分布网络建模，脉管系统是最著名的例子之一，存在于多细胞生命的许多尺度上。在动物中，脉管系统包括血管，而植物具有木质部和韧皮部细胞。这些系统是必不可少的支持结构，可在生物体内穿梭，提供营养并清除废物。
尽管它们无处不在，但关于血管网络如何生长和发挥作用的理论却很少。一个特别令人着迷的系统是大脑的脉管系统——一张交织的网，渗透到整个器官，为脑细胞输送氧气。这是一个复杂而密集的系统，因为每个细胞都需要在氧源的几微米范围内。这种复杂性使其难以研究。相反，我们首先研究一个遵循类似基本原则的更简单的系统。我们将精力集中在果蝇 Drosophila melanogaster上，这是一种常见的果蝇。
昆虫的呼吸与人类非常不同。昆虫没有将氧气转移到红细胞然后流过血管的肺，而是有一个充满空气的气管网络：将氧气输送到动物全身的管道。在这个气管网络的末端是终端气管细胞。这是氧气离开管道并被动物的肌肉和器官吸收的地方。
果蝇幼虫中的一对末端气管细胞。图片来源：Lena A. Barrett这些末端细胞具有类似于神经元的细长形状，本质上是中空的管道，周围环绕着厚度不一的细胞壁，以防止过多的氧气泄漏。细胞的分支结构允许在整个组织中均匀输送氧气。在 CCB，我们正在努力模拟这些细胞的功能能力以及它们成长为复杂结构的方式。
您如何为这些系统建模？
我们的工作从检查许多终末细胞开始，寻找细胞分支中的模式并找到可测量的特征来量化这些模式。我在普林斯顿大学的合作者拍摄了果蝇幼虫气管末端细胞的显微照片。我们将每个细胞简化为一个抽象网络，清除细胞细节并将其提炼成连接管的网络，仅保留几何结构。我们有两个主要的研究问题：一个是网络如何生长，另一个是它们如何输送氧气。事实证明，这些问题是相互关联的：没有获得足够氧气的肌肉会释放化学信号，作为回应，末端细胞会长出卷须来填充供氧不足的区域。
我们目前的氧气输送理论模型基于求解氧气如何在细胞内移动、穿过细胞壁并被周围组织吸收的方程式。在 Flatiron Institute 计算数学中心的合作者的帮助下，我们将这些方程式重新表述为一个不同的问题，在该问题中，我们求解离散点处的氧浓度，因为它沿着网络路径衰减。将所有点的贡献加起来，我们可以绘制出氧气在组织空间中的分布图。
为什么了解这些系统很重要？
我们在果蝇方面的工作是了解复杂哺乳动物血管系统功能的起点。在果蝇中，一个终末细胞与它提供的肌肉相结合，形成了一个分隔系统；我们确切地知道氧气从哪里进入以及在哪里被吸收。与由数亿个小管组成的整个大脑脉管系统相比，具有 40 或 50 个独立管的相对简单网络的建模问题更容易处理。
此外，如果你想建立一个有效的血管系统，你必须了解使其有效工作的建筑特征的细节。这项工作最突出的应用是人工肾脏、肝脏等器官的设计和制造。科学家们已经能够分离器官细胞并在培养基中培养它们，但氧气供应问题对这些系统施加了尺寸限制。随着细胞在生长过程中相互层叠，内部细胞变得缺氧。如果你想建造一个更大的、有功能的人造器官，你还需要建造合适的脉管系统来支持它。
我们离制造这种人造脉管系统还有多远？
我们还没有一种数学语言来谈论配电网络增长和效率的设计原则。然而，研究人员已经在设计这些系统的机械方面。用玻璃等材料制作微观网络相对简单，但这些材料不允许氧气通过容器壁泄漏。仅在过去十年中，科学家们才开始学习如何使用生物相容性材料构建传输网络。我认为再过一两年，我们将开始看到数学和机械的结合。也许到那时我们将拥有可以按照算法生长的人造器官脉管系统，我们将研究它与实际肝脏或肾脏血管网络的匹配程度。