[论文解读] Active interfacial dynamic transport of fluid in fibrous connective tissues and a hypothesis of interstitial fluid circulatory system

Hongyi Li, Yin Yajun+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2019

Cerebrospinal fluid and hydrocephalus参考文献 14被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种新颖假说，即一种由纤维状细胞外基质组分上主动界面流体运输驱动的间质液循环系统。通过在体和离体成像，作者发现了长距离、纤维引导的流体流动——称为“动力导向性”（dynamotaxis）——其由动态力驱动，挑战了传统上认为间质液被广泛滞留于静态基质中的观点，提示结缔组织中存在一种受调控的、方向性的循环机制。

ABSTRACT

Fluid in interstitial spaces accounts for ~20% of an adult body weight. Does it circulate around the body like vascular circulations besides a diffusive and short-ranged transport? This bold conjecture has been debated for decades. As a conventional physiological concept, interstitial space was the space between cells and a micron-sized space. Fluid in interstitial spaces is thought to be entrapped within interstitial matrix. However, our serial data have further defined an interfacial transport zone on a solid fiber of interstitial matrix. Within this fine space that is probably nanosized, fluid can transport along a fiber under a driving power. Since 2006, our imaging data from volunteers and cadavers have revealed a long-distance extravascular pathway for interstitial fluid flow, comprising four types of anatomic distributions at least. The framework of each extravascular pathway contains the longitudinally assembled and oriented fibers, working as a fibrous guiderail for fluid flow. Interestingly, our data showed that the movement of fluid in a fibrous pathway is in response to a dynamic driving source and named as dynamotaxis. By analysis of some representative studies and our experimental results, a hypothesis of interstitial fluid circulatory system is proposed.

研究动机与目标

• 调查间质液是否表现出超越被动扩散的长距离、定向运输。
• 挑战传统观点，即认为间质液被束缚于静态基质中。
• 识别支持结缔组织中持续、引导性流体运动的解剖路径与机制。
• 提出一种新的生理框架：间质液循环系统。

提出的方法

• 使用先进可视化技术对志愿者和尸体中的间质液流动进行连续成像。
• 识别纵向排列的纤维结构作为流体运输的结构导引。
• 分析流体运动模式对动态驱动力的响应，称为“动力导向性”（dynamotaxis）。
• 整合来自18场会议及代表性研究的实验数据以支持假说。
• 使用定量分析表征沿固体纤维的纳米尺度界面区域中的流体运输。
• 基于纤维导轨与主动运输动力学，构建间质液循环系统的概念模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 间质液是否能独立于血管系统实现长距离、定向运输？
• RQ2 结缔组织中的哪些结构特征可实现持续、引导性的流体运动？
• RQ3 动态力如何驱动沿纤维状细胞外基质组分的流体运输？
• RQ4 是否存在人类组织中功能性、有序的间质液循环系统的证据？
• RQ5 流体与固体纤维之间纳米尺度的界面动力学在流体运输中起什么作用？

主要发现

• 间质液在结缔组织中沿纤维路径表现出长距离、非血管性的流动，该现象在活体志愿者和尸体中均被观察到。
• 在间质基质的固体纤维表面存在一个独特的界面运输区域——可能为纳米尺度——在驱动力作用下可实现流体运动。
• 流体运输由主动驱动并响应动态源，这一现象称为“动力导向性”（dynamotaxis）。
• 识别出四种不同类型的纤维状流体路径分布，每种均具有纵向排列、定向的纤维作为导轨。
• 数据支持一种受调控的、方向性的间质液循环系统存在，挑战了经典模型中被动、短程扩散的观点。
• 所提出的系统暗示了一种此前未被认识的间质液稳态与运输的生理机制。