[论文解读] Wound pH depends on actual wound size

T. Sirkka, J. B. Skiba+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2016

Planarian Biology and Electrostimulation参考文献 26被引用 9

一句话总结

本研究开发了一个数学模型，用以预测伤口中的空间pH分布，表明伤口pH值通过无量纲尺度参数，内在地依赖于实际伤口大小。主要发现是pH值随伤口几何形状系统性变化，表明伤口大小是伤口微环境生化活性的关键决定因素。

ABSTRACT

Wound healing is an intricate process that involves many types of cells, reaction pathways as well as chemical, physical and electrical cues. Since biochemical reactions and physiological events are pH-dependent we study here pH as an important major characteristic of the wound healing process in the presence of endogenous and exogenous electric fields. Our model gives the spatial pH distribution in a wound. In particular we isolate a number of dimensionless quantities which sets the length, energy and time scales governing the wound healing process and which can be experimentally tested. Most interesting finding is that wound pH depends on actual wound size.

研究动机与目标

• 研究伤口大小如何影响伤口微环境中pH的分布。
• 识别控制愈合伤口中pH动态的无量纲参数。
• 在存在内源性和外源性电场的情况下，对空间pH分布进行建模。
• 建立可实验验证的预测，将伤口大小与pH水平联系起来。
• 阐明pH在伤口愈合过程中的调控信号作用。

提出的方法

• 开发了一个整合离子运输和电化学梯度的伤口愈合数学模型。
• 推导出无量纲量，以定义控制pH动态的长度、能量和时间尺度。
• 将内源性和外源性电场作为离子通量和pH分布的调节因子纳入模型。
• 求解所得的偏微分方程，以预测不同伤口几何形状下的空间pH分布。
• 使用量纲分析，分离出决定pH响应的关键参数，且独立于绝对尺寸。
• 将模型预测与已知生理约束和理论预期进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 实际伤口大小在多大程度上影响愈合伤口中pH的空间分布？
• RQ2 哪些无量纲参数控制pH随伤口大小的尺度变化？
• RQ3 内源性和外源性电场在多大程度上调节pH，且与伤口几何形状相关？
• RQ4 能否仅使用一组最少的物理参数，将pH预测为伤口大小的函数？
• RQ5 该模型对临床伤口监测具有哪些可实验验证的启示？

主要发现

• 伤口pH并非恒定不变，而是随伤口实际大小系统性变化。
• 该模型识别出决定pH动态长度、能量和时间尺度的无量纲群。
• 空间pH分布由离子通量与扩散之间的平衡决定，且受伤口大小缩放。
• 由于离子通量和扩散长度增加，较大伤口表现出更明显的pH梯度。
• 该模型预测，可利用推导出的无量纲参数在不同伤口大小间对pH值进行缩放。
• 研究结果表明，若不考虑伤口大小，仅凭pH测量值可能无法准确反映愈合状态。