随着经济社会的发展,交通运输高速化、人口老龄化、生态环境不断恶化等因素的影响,由外伤和疾病导致的脊髓损伤发生率呈现出逐年增高的趋势。人和脊椎动物的中枢神经系统由脑和脊髓组成,脊髓损伤后,损伤微环境中的神经营养因子缺失、抑制因子上调,限制神经再生,患者即便有幸存活,也往往会永久性丧失神经功能,给家庭和社会造成沉重负担。中枢神经的再生问题是神经生物医学领域的百年难题,近30年来由于神经科学和医疗技术的突破性进步,患者的早期死亡率有所下降,脊髓损伤后再生的可能性也露出了缕缕曙光。因此,脊髓损伤的修复研究和临床治疗,随之成为相关领域的科学家、医务工作者和工程技术人员热衷关注的课题之一,并且清楚地看到,依托多学科交叉融合,从多层次多角度加以分析,已经成为一种不可或缺的研究策略。本文分别从网络分析和数学建模两个角度出发,利用已有的实验数据和互联网上基因蛋白质数据库提供的有关信息,对脊髓损伤后影响神经再生的因素进行较大规模的网络分析,对再生神经的生长特性进行数值模拟研究,为正确设计有关动物试验和临床治疗方案提供理论借鉴。主要工作和创新点包括以下四个方面:一、与脊髓损伤相关蛋白的互作网络构建及拓扑属性分析基于网络分析和生物信息学理论,利用已有实验数据和生物网络分析软件,在基因组水平上利用蛋白-蛋白相互作用网络分析筛选出了与脊髓损伤相关的主要基因并预测了新的潜在靶标,目的在于探寻影响脊髓损伤后神经元存活和轴突生长的关键基因。网络分析的结果表明,与脊髓损伤相关的10个主要蛋白是:TNF、FOS、TGFB1、PTGS2、IL6、ICAM1、MMP9、STAT1、EDN1和AGT。其中,显著性最高的基因肿瘤炎性因子TNF,与癫痫、神经退行性疾病、记忆障碍、神经变性疾病、学习障碍等神经系统疾病密切相关,而其对脊髓损伤修复的直接影响机制需进一步探明。本文以网络理论和GO富集分析方法探讨了脊髓损伤修复的潜在机制,为进一步阐明损伤神经再生机制提供了方向。二、脊髓损伤后再生轴突生长数学模型的构建及求解方法基于脊髓损伤修复实验,构建了再生轴突生长的数学模型以及三维格子波尔兹曼算法为主体的数值模拟平台。将脊髓损伤微环境中的分子分为三类(长程吸引性、接触排斥性和接触吸引性),并依据Fick’s定律建立这三类分子反应扩散方程,再根据轴突生长锥运动的趋化性原理(前进速度或后退速度与生长锥所探测到的吸引性分子或接触排斥性分子的浓度梯度成正比)构建轴突生长微分方程。整套数学模型由非线性移动点源耦合的反应扩散方程组构成。对模型参数的估计和选取进行了详细推导,对模型的求解给出了有效的数值解法,编制了有效的计算程序。为本研究的工作提供了可靠的计算分析平台。三、脊髓损伤后再生轴突穿越胶质疤痕的数学建模与数值分析基于植入嗅鞘细胞的脊髓横断损伤实验治疗方案为背景,通过控制胶质瘢痕内部抑制因子释放率与靶细胞神经营养因子释放率之比、以及控制胶质瘢痕在椎管轴线方向的厚度等措施,探索再生轴突穿越胶质瘢痕与靶细胞连接的能力,分析探讨微环境中抑制因子和促进因子浓度对再生轴突生长的影响。数值模拟结果表明:(1)当胶质瘢痕的尺寸较大、抑制因子释放率较高的情况下,再生轴突的生长速率较慢。(2)轴突生长速率取决于生长锥所在位置抑制因子浓度与促进因子浓度的比值,当该比值平均小于1.5时,再生轴突能够顺利生长并与靶细胞成功对接。四、脊髓损伤后再生轴突攀越球状多功能生物材料支架的数学建模与数值分析基于大鼠脊髓完全横断损伤模型,我们设计了用生物材料制成的球状多功能支架,运用数值模拟方法分析探讨支架横向尺寸大小、生物医学工程方法修饰对轴突再生的影响。数值模拟结果表明:(1)横向尺寸较小的支架更有利于提高轴突再生的成功率,但高成功率导致较多的再生轴突一起挤行在狭窄的通道上,造成交通拥堵反而降低了生长速度;(2)损伤的轴突数量(在300-12000范围内)对再生成功的轴突的生长速度影响不大,但轴突再生的成功率会随着损伤神经数量的增加而降低;(3)在整个支架表面增加羟基磷灰石加慢病毒编码的硫酸软骨素酶基因(HA/LV/ChABC)的种植密度,同时在支架尾端区域增加羟基磷灰石加慢病毒编码的神经营养因子-3和脑源性神经营养因子(HA/LV-NT-3&HA/LV-BDNF)的种植密度,更有利于再生轴突获得高的成功率和生长速率;(4)如果在整个支架上仅增加羟基磷灰石纳米粒子和细胞外基质成分(HA/ECMs)的密度,可能导致支架表面营养过剩,反而不利于轴突再生。从理论上成功解释了以往同类支架在引导再生轴突生长时效率不高或失败的原因。