肝组织中三维正弦网络的韧性

三维微血管网络在个别连接失效时是否仍能保证血液供应？我们基于成年小鼠肝组织高分辨率成像和数字重建的最新进展，在正弦网络（一种丛状微血管网络，负责将富含营养的血液输送到肝组织中的每个肝细胞）中探讨这一问题。我们发现，三维正弦网络的拓扑结构反映了其两个设计要求：一个连接所有肝细胞的空间填充网络，同时使用最短的运输路径——正弦网络是其分支点集合的德劳内图的子图，并且也包含相应的最小生成树，两者都近似成立。为了克服实验样本的空间限制并生成任意大小的网络，我们开发了一种网络生成算法，该算法通过节点度和边长度分布的多目标优化，再现了0.3毫米大小的正弦网络样本的统计特征。这些模拟网络中的向列序意味着各向异性的输运性质，其特征是向列序参数与渗透率张量的各向异性之间存在经验线性关系。假设所有正弦管具有恒定且相等的流阻，我们预测网络中的电流分布非常不均匀，少量边承载了大部分流量。我们以风险渗透率（即渗透率作为移除边比例的函数）来量化网络韧性。我们发现正弦网络对随机移除边具有韧性，但对高电流边的移除较为脆弱。我们的发现表明存在一种机制来抵消流量不均匀性，以平衡肝脏的代谢负荷。