细胞黏弹性的分数阶微积分建模比整数阶模型更稳健地量化药物响应与成熟过程

近来发现，细胞的黏弹性特性是反映细胞复杂生物状态、功能及功能异常的固有标记。尽管利用整数阶力学和幂律黏弹性模型已从许多细胞类型的黏弹性数据中提取模型参数取得成功，但仍存在一些细胞类型和条件其拟合优度不足。因此，分数阶黏弹性模型被提出作为更通用且更适于此类建模的方法。在本工作中，我们使用已由整数阶模型拟合的已发表数据来检验所提出的这种通用性。我们发现，相比于整数阶模型，分数阶黏弹性模型可在更多情况下拟合细胞黏弹性数据。对于巨噬细胞——即免疫系统中起作用的白细胞之一——分数阶Kelvin-Voigt模型最好地捕捉了药物干预和细胞成熟过程。巨噬细胞的稳态黏度在使用药物细胞松弛素D使F-actin解聚后降低，并且在使用Blebbistatin使肌球蛋白II断裂后也降低。当巨噬细胞用细菌来源的趋化剂处理时，稳态黏度降低。有趣的是，随着细胞成熟并接近衰老，稳态黏度和弹性模量均逐渐改变。综上所述，这些结果表明，分数阶黏弹性建模比整数阶建模更稳健地实现了细胞功能与功能异常的进一步量化，在癌症和免疫系统功能障碍等情况下具有潜在的诊断和治疗应用。