[논문 리뷰] The model of circular and longitudinal smooth muscle motions in the motility of intestinal segment

Garri Davydyan|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 23.

Elasticity and Material Modeling참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 장의 세그먼트에서 순환성 및 종방향 평활근 수축의 협응을 모델링하는 네 개의 상미분방정식 시스템을 제안한다. 이 모델은 수축성 탄성과 능동적 톤-의존성 힘을 통합한다. 모델은 벽의 확장과 평활근 톤의 교차로 조절되는 단계를 보이며, ICC와 내성 경련절개대의 내재적 운동 조절 기전에 대한 기계적 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Coordination in circular and longitudinal muscle motions are of crucial importance in the motor function of gastrointestinal (GI) tract. Intestinal wall motions depend on myogenic-active properties of smooth muscles layers of intestinal wall, which is the ability to create active contractile forces in response to distension. Considering the stress in the circular and longitudinal smooth muscles as a sum of passive, depending on muscle deformations, and active, depending on muscle tone, components, and also assuming that the change in the muscle tone depends on the current stress-strain condition, the system of four ordinary differential equations (ODE) is obtained, which describes filling-emptying cycle of intestinal segment as a process of coordinated activities of circular and longitudinal muscles of intestinal wall. A general approach in formulating the modelling conditions is based on the previously described model restricted to the circularly distensible reservoir of constant length. Obtained results illustrate the character of coordinated activities of two orthogonal muscle layers, which are alternating phases of reciprocally and uniformly changing modalities such as stretching of the wall and muscle tone. The results also contribute to the existing understanding of the roles of Auerbach's and Meisner's intermuscular and submucous neural plexuses in regulations of autonomous intestinal motility, as well as clarify functional mechanisms of the interstitial cells of Cajal (ICC) in triggering of smooth muscle contractions.

연구 동기 및 목표

• 장의 운동에서 순환성 및 종방향 평활근 활동의 정량적 모델 개발.
• 응력-변형 관계에 기반한 평활근층의 수동 탄성력과 능동적 수축력 통합.
• 기계적 스트레인에 대한 반응으로 근육 톤 조절이 장 세그먼트의 충전-비우기 주기에 어떻게 기여하는지 탐구.
• 인터스티셜 세포(Cajal)와 Auerbach 및 Meissner 경련절개대의 기능적 역할을 명확히 하기.
• 이전의 순환성 확장 가능한 저장소 모델을 확장하여 종방향 근육 운동 및 수직으로 조율된 수축을 포함

제안 방법

• 순환성 및 종방향 근육의 응력을 수동(변형에 의존) 및 능동(톤에 의존) 성분의 합으로 모델링.
• 현재 응력-변형 조건에 기반해 근육 톤이 변화하는 피드백 메커니즘 도입.
• 벽 변형 및 두 근육층의 근육 톤 역학을 기술하는 네 개의 상미분방정식 시스템 수립.
• 세그먼트 길이를 일정하게 유지하면서 원주 및 종방향 변형을 가변적으로 설정하여 충전 및 비우기 주기 시뮬레이션.
• 이전에 발표된 순환성 확장 가능한 저장소 모델의 일반화를 통해 종방향 근육 활동 포함.
• 수직 근육층에서의 확장 및 수축 단계 간의 협응된 번갈아가는 행동 시뮬레이션

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순환성 및 종방향 평활근의 수동력과 능동력은 어떻게 장 세그먼트의 충전 및 비우기 주기를 이끄는가?
• RQ2 기계적 스트레인에 대한 반응으로 근육 톤 조절이 리듬적 운동을 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 모델은 인터스티셜 세포(Cajal)가 수축을 유도하고 조율하는 데 있어 지역적 피드백에 의한 근육 톤 조절을 어떻게 설명하는가?
• RQ4 Auerbach 및 Meissner 경련절개대는 순환성 및 종방향 근육 활동의 상호 조절을 어떻게 조절하는가?
• RQ5 최소한의 ODE 기반 모델이 장 운동에서 관찰되는 벽의 확장 및 수축 단계의 번갈아가는 패턴을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 순환성 및 종방향 평활근 간의 협응된 활동 사이클을 성공적으로 재현하며, 확장과 톤 증가의 교차 단계를 특징으로 한다.
• 능동적 근육 톤은 현재 응력-변형 상태에 의해 동적으로 조절되어 외부 패러메이터 없이도 자가유지 진동을 가능하게 한다.
• 이 시스템은 상호 조절을 보이며, 한 근육층이 확장될 때 다른 쪽은 톤을 증가시켜 장 세그먼트의 순차적 충전 및 비우기를 촉진한다.
• 모델은 ICC가 국소적 피드백을 통해 근육 톤을 조절함으로써 수축의 유도 및 조율 기능을 수행하는 기계적 메커니즘을 제공한다.
• 결과는 Auerbach 및 Meissner 경련절개대가 기계적 피드백에 반응해 톤을 조절함으로써 수직 근육층 간의 조율에 기여한다는 가설을 지지한다.
• 이전의 순환성 저장소 모델을 종방향 운동을 포함하여 확장함으로써 장 벽 운동의 더 포괄적인 표현을 제공한다.