Simulating Large-Scale Morphogenesis in Planar Tissues

模拟平面组织中的大规模形态发生

基本信息

  • 批准号:
    2012330
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 20万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-06-15 至 2024-05-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Cutting-edge developments in biotechnology and medicine involve reconstructing large-scale tissues and organs. This work can be limited by lack of knowledge in tissue morphogenesis, the process by which living tissues develop their size-and-shape characteristics. Though live-imaging techniques have enabled the observation of morphogenetic processes, progress in fundamental understanding has been slow. This project aims to improve tools for modeling a wide range of living tissues that are relatively planar and have been extensively studied experimentally. The project will develop methods for numerical simulation of morphogenesis processes and attempt to reproduce the observed large-scale morphogenesis structures in planar tissues. The project provides graduate student training through involvement in the research.This project concerns numerical simulation of large-scale continuum models for tissue morphogenesis that involve free boundaries, bulk-interface coupling, and highly nonlinear interactions. The work centers on a new mathematical model in which the field variables are nonlinearly coupled via reaction-convection equations and non-standard spatial partial differential equations. The project will develop semi-implicit and fully implicit time-stepping methods to avoid a potential time-step restriction for explicit time-stepping methods. Due to the high nonlinearity of the system, the boundary configuration must be updated together with the velocity field as well as other field variables. For this purpose, a novel interface-tracking method based on reference-map techniques will be investigated. Linear analysis close to trivial solutions will be conducted to assist the design of fast-converging iterative methods for solving the nonlinear system derived from the implicit time-stepping discretization of the original model. Simulations to understand in vitro micro-tissue and in vivo epithelial-tissue morphogenesis from live-imaging data will be carried out.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
生物技术和医学的前沿发展涉及重建大规模的组织和器官。这项工作可能会因缺乏组织形态发生方面的知识而受到限制,组织形态发生是活组织形成其大小和形状特征的过程。虽然活体成像技术已经使观察形态发生过程成为可能,但在基本理解方面进展缓慢。这个项目的目的是改进广泛的活组织建模工具,这些组织是相对平面的,并已进行了广泛的实验研究。该项目将开发形态发生过程的数值模拟方法,并尝试在平面组织中再现观察到的大规模形态发生结构。该项目通过参与研究提供研究生培训。该项目涉及组织形态发生的大规模连续介质模型的数值模拟,该模型涉及自由边界、体界面耦合和高度非线性相互作用。研究了一种新的数学模型,其中场变量通过反应对流方程和非标准空间偏微分方程组进行非线性耦合。该项目将开发半隐式和全隐式时间步长方法,以避免显式时间步长方法潜在的时间步长限制。由于系统的高度非线性,边界构型必须与速度场和其他场变量一起更新。为此,将研究一种新的基于参考地图技术的界面跟踪方法。对于由原模型的隐式时间步长离散化得到的非线性系统,将进行接近平凡解的线性分析,以辅助设计快速收敛的迭代方法。将进行模拟,从实时成像数据中了解体外微组织和体内上皮组织的形态发生。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的智力优势和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Inferring relative surface elastic moduli in thin-wall models of single cells
  • DOI:
    10.1140/epjp/s13360-022-02907-0
  • 发表时间:
    2022-08-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Deng,Yaqi;Wei,Chaozhen;Wu,Min
  • 通讯作者:
    Wu,Min
Inhibition of the Exocyst Complex with Endosidin 2 Reduces Polarized Growth in Physcomitrium patens.
  • DOI:
    10.17912/micropub.biology.000655
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Bormann, Eric;Xu, Rholee;Nargi, Clare;Wu, Min;Vidali, Luis
  • 通讯作者:
    Vidali, Luis
Inferring lateral tension distribution in wall structures of single cells
推断单细胞壁结构的侧向张力分布
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Chelladurai, Danush;Galotto, Giulia;Petitto, Jocelyn;Vidali, Luis;Wu, Min
  • 通讯作者:
    Wu, Min
AN EULERIAN NONLINEAR ELASTIC MODEL FOR COMPRESSIBLE AND FLUIDIC TISSUE WITH RADIALLY SYMMETRIC GROWTH
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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    Wendi Huang;Min Wu;Jie Hu;Luefeng Chen;Chengda Lu;Xin Chen;Weihua Cao
  • 通讯作者:
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  • 作者:
    Changzhong Pan;Xuzhi Lai;Simon X. Yang;Min Wu
  • 通讯作者:
    Min Wu

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  • 资助金额:
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  • 项目类别:
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知道了