与我们不同，昆虫没有肺。相反，一个由称为气管的显微镜管组成的复杂管道系统将氧气输送到他们的全身。
在扁钢研究所,塔季亚娜·加夫里尔琴科建立果蝇气管的模型。但她的结果不仅适用于昆虫生理学。这项基础性工作有助于科学家了解生物分布网络如何传递营养物质，这在静脉和动脉结构的研究以及人工器官的开发中都有应用。
Gavrilchenko加入了熨斗研究所计算生物学中心（CCB）于2019年担任扁钢研究员。在此之前，她获得了宾夕法尼亚大学物理学博士学位。
Gavrilchenko最近与西蒙斯基金会就她的工作和人工器官的未来进行了交谈。为了清晰起见，对对话进行了编辑。
你目前正在做什么项目？
广义地说，我模拟生物分布网络，脉管系统是最著名的例子之一，存在于多细胞生命的许多尺度。动物的脉管系统由血管组成，而植物有木质部和韧皮部细胞。这些系统是在生物体内穿梭物质、提供营养和清除废物的基本支撑结构。
尽管它们无处不在，但关于血管网络如何生长和功能的现有理论却很少。一个特别吸引人的系统是大脑的血管系统——一个贯穿整个器官的交织网络，向脑细胞输送氧气。这是一个复杂而密集的系统，因为每个细胞都需要在距离氧气源几微米的范围内。这种复杂性使得研究变得困难。相反，我们从一个遵循类似基本原则的简单系统开始。我们的工作重点是黑腹果蝇，常见的果蝇。
昆虫的呼吸与人类非常不同。昆虫的肺部不是将氧气输送到红血球，然后红血球流经血管，而是有一个充满空气的气管网络：一个将氧气输送至动物全身的管子。气管网的末端是末端气管细胞。这是氧气离开管子并被动物的肌肉和器官吸收的地方。
这些末端细胞具有类似神经元的细长形状，本质上是由不同厚度的细胞壁包围的中空管道，可以防止过多的氧气泄漏。细胞的分支结构允许在整个组织中均匀输送氧气。在CCB，我们正在对这些细胞的功能能力以及它们成长为复杂结构的方式进行建模。
你是如何为这些系统建模的？
我们的工作从检查许多终末细胞开始，寻找细胞分支中的模式，并找到可测量的特征来量化这些模式。我在普林斯顿大学的合作者拍摄了果蝇幼虫气管末端细胞的显微照片。我们将每个细胞简化为一个抽象网络，清除细胞的细节并将其提取为一个连接管的网络，只保留几何结构。我们有两个主要的研究问题：一个是网络如何生长，另一个是它们如何输送氧气。事实证明，这些问题是相关的：没有获得足够氧气的肌肉会释放化学信号，作为回应，终末细胞会生长卷须来填充供氧不足的区域。
我们目前的氧气输送理论模型是基于求解氧气如何在细胞内移动、如何穿过细胞壁以及如何被周围组织吸收的方程。在Flatiron Institute计算数学中心的合作者的帮助下，我们将这些方程重新计算为一个不同的问题，在这个问题中，我们求解了氧浓度沿网络路径衰减时离散点的浓度。将所有点的贡献相加，我们可以绘制氧气在组织空间中的分布图。
为什么理解这些系统很重要？
我们对果蝇的研究是理解哺乳动物复杂血管系统功能的起点。在果蝇中，一个单一的终末细胞与它供应的肌肉相结合，形成一个分隔的系统；我们确切地知道氧气从哪里进入，在哪里被吸收。一个由40或50个独立管子组成的相对简单网络的建模问题比由数亿个小管子组成的整个大脑血管系统的建模问题要容易处理得多。
此外，如果你想构建一个有效的血管系统，你必须了解使其有效工作的架构特征的细节。这项工作最突出的应用是设计和制造人造肾脏、肝脏和其他器官。科学家已经能够分离器官细胞并在培养基中生长，但供氧问题对这些系统的大小造成了限制。随着细胞在生长过程中层层叠置，内部细胞缺氧。如果你想建造一个更大、功能齐全的人造器官，你还需要建造合适的血管系统来支持它。
我们离制造这种人造血管还有多远？
我们还没有一种数学语言来谈论配电网增长和效率的设计原则。然而，研究人员已经在对这些系统进行机械方面的工程设计。用玻璃等材料制作微观网络相对简单，但这些材料不允许氧气通过血管壁泄漏。只有在过去的十年里，科学家们才开始学习如何利用生物相容材料构建输送网络。我认为再过十年或二十年，我们将开始看到数学和机械的结合。也许到那时，我们将有一个可以按照算法生长的人工器官血管系统，我们将研究它与实际的肝脏或肾脏血管网络的匹配程度。
