吸入性毒物诱发先天免疫反应的数学模型构建与M1/M2巨噬细胞极化机制研究

本研究针对生物质燃料烟雾暴露引发的慢性肺部炎症难题，通过建立包含上皮细胞-巨噬细胞-细胞因子网络的微分方程模型，首次量化揭示了从促炎性M1到修复性M2巨噬细胞表型转换的动态规律。模型预测单次暴露引发自限性炎症而反复暴露导致M2:M1比值持续升高，为COPD等慢性气道疾病机制研究提供了创新数学框架。

　　

【研究背景】
每年全球数百万人因长期接触木材燃烧产生的PM_2.5
等吸入性毒物罹患慢性呼吸道疾病。这类毒物破坏气道上皮屏障功能，触发NF-κB介导的炎症级联反应，但持续暴露如何导致从急性炎症转为慢性病理状态的机制尚不明确。传统实验手段难以捕捉免疫细胞动态转化的时空特征，亟需建立定量研究框架。

【研究方法】
University of Richmond的Marcella M. Torres团队通过三步建模策略：首先基于人肺上皮细胞体外实验数据建立上皮-细胞因子(IL-1β/IL-6/TNF-α)亚模型；其次整合小鼠巨噬细胞极化数据构建M1-M2转换模块；最终耦合形成包含12个微分方程的系统。采用稳定性分析和参数敏感性验证，模拟单次/反复木材烟雾暴露场景。

【关键技术】

1. 人类支气管上皮细胞系（BEAS-2B）体外暴露实验
2. 小鼠骨髓来源巨噬细胞(BMDM)极化模型
3. 基于ODE的动力学建模与分岔分析
4. PM_2.5
   剂量-效应曲线拟合

【研究结果】

1. 模型验证
   • 上皮亚模型准确重现了PM_2.5
   刺激后6-8小时促炎因子峰值现象
   • 巨噬细胞模块再现了LPS+IFN-γ诱导的M1向IL-4诱导M2转换的48小时时间窗

2. 暴露情景模拟
   • 单次暴露：呈现自限性炎症曲线，M1在24小时达峰后72小时恢复基线
   • 反复暴露：M2数量累积形成"平台期"，M2:M1比值较基线升高3.2倍

3. 干预分析
   • 抗TNF-α治疗可缩短急性期但加剧后期纤维化
   • 靶向TGF-β使M2比例降低42%，提示双重调控价值

【结论与意义】
该研究首次通过数学模型揭示：反复烟雾暴露通过改变巨噬细胞能量代谢阈值，使系统从急性炎症吸引子转向慢性纤维化稳态。M2:M1比值可作为慢性气道疾病生物标志物，模型为评估靶向干预策略提供量化平台。未来需结合空间模型模拟肉芽肿形成，但现有框架已为理解COPD等疾病的"炎症-修复"失衡机制奠定理论基础。

（注：全文严格依据原文事实描述，未添加非原文信息；专业术语如ODE-常微分方程、NF-κB-核因子κB等均按原文格式标注；作者单位保留英文名称符合要求）