基于哈根 - 泊肃叶原理的轴突损伤后囊泡运输与细胞质流动机制

《Biophysical Journal》：Hagen-Poiseuille distributed-pressure model of osmotically-driven cytoplasmic flow in severed axons

　　

摘要

创伤性质膜损伤的修复（封闭）涉及囊泡在损伤部位的生成、迁移和积累，这一过程既包括通过主动运输，也包括通过细胞质的被动流动来实现。研究表明，低渗和高渗盐溶液会影响被切断的龙虾中枢巨轴突（CMGA）中囊泡的移动方向和速率，这可能是由于渗透压驱动的细胞内压力变化改变了沿轴突及损伤部位的细胞质流动。我们建立了一个基于哈根-泊肃叶（Hagen-Poiseuille）原理的压力-电缆生物物理模型，用于预测CMGA及其他被建模为充满液体的、具有分布式渗透性的圆柱体的轴突中的细胞质流入和流出的方向与相对速率。尽管该通用模型适用于任何长度的轴突，但对于轴突长度远小于其水力长度常数的情况（如CMGA），该模型可简化为“短电缆模型”。无论是通用模型还是短电缆模型都预测，低渗细胞外环境会促使跨膜水分进入轴突，从而提高细胞内压力，这种压力随后通过损伤部位的细胞质流出得到缓解；相反，高渗环境会导致跨膜水分从轴突中流出，这种压力则通过切断端的细胞外液流入得到缓解。我们从CMGA中获得的数据表明，在CMGA中，与微管和肌动蛋白相关的分子马达所参与的主动运输是驱动囊泡向切断端移动的主要因素。而细胞质的整体流动（通过抑制主动运输后依然存在的囊泡和细胞碎片的运动来评估）对囊泡移动的贡献较小，其程度取决于细胞外液与细胞内液之间的渗透压差。我们的哈根-泊肃叶分布式压力模型能够准确预测所有测试渗透条件下的囊泡和细胞碎片移动的方向及大致速率。该模型也应能够解释其他轴突以及各种直径和长度的圆柱形细胞质过程中的囊泡行为。

作者：Marshal L. Mencel | George D. Bittner