代谢在血管形态发生中的核心作用

当营养物质流经微循环并被吸收时，其可利用性持续下降。然而，均匀的营养分布至关重要，因为它可防止供应不足区域的组织死亡。那么，血管网络如何实现等灌注？鉴于动物血管系统中血管数量庞大，较小血管的结构无法完全由基因预先决定，因而依赖自组织的发育机制。我们提出一种简单的、基于优化的适应规则来控制血管半径，旨在均衡灌注同时最小化流动阻力与物质成本。该适应平衡了三个竞争因素：灌注效率、能量耗散与物质支出，它们共同驱动复杂的网络形态。这些形态范围从为最小阻力与物质成本优化的层级结构，到实现高效灌注的致密网络。值得注意的是，代谢需求是调节这些对比结构之间转变的主要因素。通过将我们的适应规则应用于大鼠肠系膜网络，并将所得最优灌注架构与实验数据比较，我们可估计生物学相关参数（如氧吸收率），优化与实验网络在此最为吻合。令人惊讶的是，我们推导的最优吸收率与独立的体内测量相符。这表明像我们这样的降阶模型可为真实血管网络的发育与功能提供有价值的见解。