來自南加州大學維特比工程學院和南加州大學凱克醫學院的研究人員在美國國立衛生研究院(NIH)的支持下正在努力將纖毛行為的數學模型跟生物和病理後果聯系起來。換言之，他們希望更好地理解改變纖毛跳動或間距的變量會如何影響個體的健康。
這項研究的負責人包括Eva Kanso和Amy Ryan，前者是南加州大學航空航天和機械工程維特比教授，後者是凱克醫學院助理教授。
Kanso指出：“我們想先瞭解健康肺的正常變異是什麼，然後再瞭解病理變異。如果我們能將這些觀察結果映射到潛在的病理，我們就能更好地理解纖毛的結構--分佈、協調、極性、密度--是如何影響實際功能的--它們如何移動粘液、它們如何在某個方向清理。”
Kanso表示，研究小組從三個角度研究纖毛。“首先，我們正在研究真正的人類肺部，考慮到COVID-19，這是非常及時的。有很多問題我們不知道答案，如纖毛從上呼吸道的分佈以及它們何時開始分枝成更小的分支。而分佈取決於你在肺中的位置。”
纖毛的數學建模將可用來回答關鍵問題
在Kanso的實驗室裡，這種探索是通過數學模型進行的。“我們有單個纖毛的模型，我們把它們結合在一起，看看一系列纖毛的協調情況。我們觀察它的功能和傳輸流並操縱各種參數，”她說道。
Kanso指出，纖毛會自發地協調，從而創造出一種波動模式，這對流體的運輸很重要。在這個數學模型中，研究人員可以改變纖毛之間的間距、個體搏動、極性等，然後看看它是如何改變纖毛之間的協調並最終改變纖毛的相應功能及其輸送流的。Kanso稱，對波動模式產生負面影響的參數可能為瞭解患病肺部的外觀和功能提供線索。
對人類健康的影響
Ryan表示，從生物學的角度來看，這項研究可以為以纖毛功能障礙為特征的遺傳性和獲得性呼吸道疾病提供重要的新見解。
“除瞭大幅增加我們對疾病對氣道功能特性影響的理解，數學模型的發展可能會應用於纖毛病診斷以預測疾病進展。”Ryan說道，“展望未來，我們的長期目標是將實驗室模型跟計算模型相結合以創造出一種醫療工具，這將可以幫助評估針對粘液纖毛清除不良或呼吸道自我清除功能不良的肺部疾病的治療方法。”
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