基于耗散粒子动力学的粘弹性真核细胞高效计算模型构建与验证

这篇研究通过构建粗粒化粘弹性真核细胞模型，创新性地采用表面三角剖分表征细胞膜与核膜，并利用粘弹性键（KV）简化细胞骨架结构。结合耗散粒子动力学（DPD）方法，模型在保持计算效率的同时精准复现了MCF-10A细胞的力学特性，其微吸管实验与微流控验证显示弹性模量达230Pa，粘性模量11.11mPa·s。该模型为研究细胞流变学（Rheology）及微流体装置中细胞行为提供了高效工具。

　　

摘要

研究提出了一种计算高效的粘弹性真核细胞模型，通过粗粒化方法模拟细胞膜、细胞核和细胞骨架的力学特性。该模型采用表面三角剖分技术表征膜结构的粘弹性，并通过简化细胞骨架为粘弹性键（Kelvin-Voigt bonds）显著降低计算复杂度。模型校准基于微吸管实验数据，验证则通过微流控装置中乳腺上皮细胞（MCF-10A）的变形行为完成，结果显示其弹性模量为230Pa，粘性模量11.11mPa·s，与实验数据高度吻合。

引言

细胞力学研究近年显著增长，尤其在癌症等疾病机制探索中。实验技术如微吸管抽吸、原子力显微镜和微流控技术可量化细胞力学特性，而计算模型则弥补实验局限。成熟红细胞（RBC）因无核和内部骨架成为简单模型对象，但真核细胞的复杂性要求更精细的建模。现有模型或过度简化（如仅模拟膜结构），或计算成本过高。本研究通过改进Lykov等人的模型，用粘弹性键替代凝胶状细胞骨架，平衡精度与效率。

材料与方法

耗散粒子动力学（DPD）
DPD通过软粒子体系模拟流体，粒子运动遵循牛顿方程，包含保守力、耗散力和随机力。参数通过波动-耗散定理关联，确保温度恒定。

细胞模型
模型由三部分组成：

1. 膜模型：基于三角剖分的网状结构，包含剪切能（U_s）、弯曲能（U_b）及面积/体积约束（U_a, U_v），通过耗散力（γ）和随机力实现粘弹性。
2. 细胞骨架：采用Kelvin-Voigt键（k_s, k_v）连接膜与核膜粒子，键密度（ρ）定义为键数与膜粒子数之比，确保尺寸无关性。
3. 细胞核：建模为更硬的粘弹性材料（k_s^nuc=5k_s^cyt），通过连接最远粒子模拟内部结构。

实验数据
校准使用微吸管抽吸实验（4.25μm直径，压力梯度3.27Pa/s），验证采用微流控装置（间隙10-15μm），测量细胞通过速度与形变恢复时间。

结果

校准与验证
模型M2（w=5键拓扑）消除应力传递异常，匹配实验测得的弹性（k_s=120）和粘性（k_v=10）参数。微流控模拟中，细胞 transit velocity 与实验误差<10%，松弛时间比吻合。

参数影响

• 细胞骨架：k_s和ρ线性调控弹性模量；k_v主导粘性响应。
• 膜参数：持久长度（p）与弹性模量负相关，γ直接调控整体粘度。

计算效率
相较Lykov模型（47,000粒子），本模型仅需7,212粒子，提速4.7倍，适用于大规模流动模拟。

讨论**

模型通过简化细胞骨架为粘弹性键，在保持精度的同时显著提升效率。未来可结合机器学习优化参数，或扩展至病理细胞（如癌细胞）的力学研究。

（注：全文严格依据原文缩编，未添加非文献内容，专业术语均标注英文缩写及符号规范。）