Localized growth drives spongy mesophyll morphogenesis
海绵状叶肉是在植物叶子中发现的复杂多孔组织，其能够捕获碳并提供机械稳定性。与许多其他在整个发育过程中保持融合的生物组织不同，海绵状叶肉必须从最初的融合组织发育成具有大比例细胞间空间的曲折细胞网络。海绵叶肉中的空气空间如何发展，而细胞保持机械稳定仍然是未知的。在这里，我们使用可变形颗粒的计算机模拟来开发海绵叶肉组织发育的纯机械模型。通过规定（1）细胞周长仅在空隙附近生长，（2）细胞形成和破坏粘合键，以及（3）组织压力保持恒定，计算模型能够概括在拟南芥叶片中观察到的海绵状叶肉微观结构的发育轨迹。海绵叶肉中孔隙空间的稳健生成需要细胞生长、粘附、刚度和组织压力的平衡，以确保细胞网络保持多孔但机械稳健。这种组织生长和孔隙度演化的力学模型的成功表明，简单的物理原理可以协调和驱动复杂植物组织（如海绵状叶肉）的发育。
2022-08-18 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
On growth and morphogenesis in mechanobiology
本文基于质量守恒第一性原理提出统一的各向异性生长、重塑与形态发生理论，揭示局部质量输运和等容生长如何驱动自发形状形成。
2025-07-27 cond-mat.soft q-bio.TO
Theory of mechano-chemical patterning in biphasic biological tissues
自组织模式的形成是多细胞生物形态发生的关键，尽管生物斑图形成的综合理论仍然缺乏。在这里，我们提出了一个极小模型结合组织力学形态的周转和运输，以探索新的路线图案。我们积极的描述夫妇形态发生反应扩散，影响细胞分化和组织力学，一个两相多孔弹性流变学，其中一个组织相组成的多孔弹性细胞网络和其他渗透细胞外液，它提供了一个反馈，积极运输形态发生。虽然该模型包括将组织近似为惰性双相介质的先前理论，例如图灵的反应扩散模型，但由于机械诱导的交叉扩散流动，它克服了它们的一些关键限制，允许通过任何两种生物化学动力学形成斑图形成。此外，我们描述了一个定性不同的对流驱动的凯勒-西格尔不稳定性，它允许与一个单一的形态形成的模式，其基本模式模式与组织大小的规模强劲。我们讨论了组织形态发生这些发现的潜在相关性。
2019-01-25 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Simulation of morphogen and tissue dynamics
形态发生是一个成熟的生物体从单个细胞中出现的过程，长期以来一直吸引着人类。对这一过程进行建模可以为发展和协调发展过程的原则提供新的见解。本章着重于发展过程的数学描述和数值模拟。特别地，我们讨论了静态和生长域的形态发生和组织动力学的数学表示，以及相应的组织力学。此外，我们给出了一个概述的数值方法，通常用于解决所产生的偏微分方程系统。这些方法包括有限元法和格子Boltzmann方法的离散化，以及任意拉格朗日-欧拉方法和扩散域方法来数值处理变形域。
2018-06-11 q-bio.TO
Multicellular actomyosin cables in epithelia under external anisotropic stress
细胞-细胞连接和相关的皮质肌动球蛋白跨多个细胞排列以在上皮中形成细胞外缆线是驱动形态发生的长程组织组织结构的一个例子。在这里，我们证明了组织组装这些平行电缆的能力取决于上皮细胞的初始包装拓扑结构。使用计算的顶点模型，我们开发了两种方法来测量一个无序的组织的可折叠性，形成电缆下的外部应力。这些测量量化了细胞的变形和应力下组织中的张力分布。使用这些措施，我们表明，被动应力诱导的细胞流动降低了组织的能力，形成电缆，而定向分裂创建一个包装，可以维持多个平行电缆。这些措施适用于一个地区的果蝇展示了转向更电缆友好的包装后，在该地区的一波定向师。
2018-09-12 q-bio.TO
Instability and fingering of interfaces in growing tissue
本文通过计算机模拟研究基底上生长组织界面的稳定性，发现稳态应力、细胞运动性、组织粘度和基底摩擦四个参数决定界面动力学，并揭示了不同条件下界面失稳与指进现象的机制。
2020-03-10 q-bio.TO
Cell growth, division and death in cohesive tissues: a thermodynamic approach
细胞生长、分裂和死亡是生物组织的定义特征，有助于形态发生。在粘性组织的流体动力学描述中，它们的出现意味着细胞密度的非零变化率。我们展示了线性非平衡热力学如何将此速率表示为相关热力学力的组合：化学势，速度发散和活性。我们说明了所产生的影响的非保守的细胞密度的简单的例子启发最近的实验细胞单层，首先考虑的速度的扩展前，和第二个不稳定导致机械波。
2017-07-18 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Multiscale modelling and analysis of growth of plant tissues
本研究通过多尺度分析和均匀化方法，从亚细胞尺度的植物组织生长模型推导出宏观组织尺度模型，并用有限元数值比较验证其预测能力，以连接微观测量与宏观观察。
2023-11-19 math.AP q-bio.TO
Inter-dependent Tissue Growth and Turing Patterning in a Model for Long Bone Development
长骨的发育需要细胞信号传导、增殖和分化程序的复杂空间组织。这种空间组织是如何出现在生长的长骨域上的仍然没有得到解决。基于报道的生化相互作用，我们开发了核心信号因子IHH、PTCH 1和PTHrP的调节模型，其中包括两种细胞类型：增殖/静息软骨细胞和（前）肥大软骨细胞。我们发现，报告的IHH-PTCH 1相互作用引起了Schnakenberg型图灵动力学，并列入PTHrP是重要的，以实现强大的图案时，耦合图案和组织动力学。该模型再现了相关的时空基因表达模式，以及一些相关的突变表型。总之，我们提出，基于配体-受体的图灵机制可以控制长骨发育过程中图案的出现，PTHrP作为重要的介体，当敏感的图灵系统耦合到生长和分化组织的动态时，赋予图案鲁棒性。我们以前已经表明，基于配体-受体的图灵机制也可以从BMP-受体和GDNF-受体的相互作用，并且这些复制的野生型和突变体的模式，在手指形成四肢和分支形态发生在肺和肾。因此，受体-配体相互作用可以构成自然界中产生图灵模式的一般机制。
2013-09-01 q-bio.TO
Stay hydrated: Basolateral fluids shaping tissues
在发育过程中，胚胎会进行一种令人着迷的舞蹈，这对所有器官的正确成形、定位和功能至关重要。动物形态发生的细胞特性一直是人们关注的焦点。另一方面，对细胞间液这一无形的发动机的研究却少之又少。细胞浸在液体中，其组成和物理性质对发育有相当大的影响。本文以小鼠和斑马鱼早期胚胎为模型，从液体的角度对近年来的研究进行了综述。这些例子说明了组织的水合水平是如何时空控制和影响胚胎发育的。
2019-07-24 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Stochastic simulation of pattern formation in growing tissue: a multilevel approach
我们接受了设计大的相互作用的细胞群体的现实计算模型的挑战。我们的目标基本上是把吉莱斯皮著名的随机方法的水平上相互作用的细胞群体。具体而言，我们感兴趣的是如何的黄金标准的单细胞计算建模，这里采取的空间随机反应-扩散模型，可以有效地耦合在细胞群体水平的类似方法。具体地说，我们针对最近提出的一组涉及Notch-Delta信号传导机制的模式形成途径。这些涉及通过直接膜接触位点以及通过细胞突起介导的细胞间通讯。我们解释了如何使用多层次的方法来模拟生长组织的过程，我们讨论了相关的计算方法的未来发展的影响。
2018-06-07 cs.CE q-bio.TO
Theory of adhesion-driven self-organisation in growing tissues
Mathematical Institute, University of Oxford（牛津大学数学研究所）
研究通过多尺度分析揭示了细胞粘附、自扩散和增殖之间的平衡如何控制集体动态，发现粘附强度调节影响组织侵袭的凝聚力与模式形成。
2026-04-29 math.AP physics.bio-ph q-bio.TO
Mechanical Properties of Growing Melanocytic Nevi and the Progression to Melanoma
黑素细胞痣是良性增生，有时会转变为恶性黑色素瘤，从生物化学和遗传学的角度来看，这种方式仍然不清楚。诊断和预后工具主要基于皮肤镜检查和组织学组织的形态学分析。为了研究力学和几何学在黑素细胞痣形态动力学中的作用，我们研究了一个分层非线性弹性组织中细胞增殖的计算模型。数值模拟表明，痣的形态与开始生长过程的增殖细胞的初始位置和组织的机械性能相关。我们的研究结果也支持黑素细胞受到的压力波动很大，在痣和生长阶段的依赖。表皮细胞释放基质金属蛋白酶的数值模拟显示通过破坏基底膜加速真皮的侵袭。此外，我们实验表明，渗透压和胶原蛋白抑制原发性黑色素瘤细胞的生长，而在转移性细胞的效果要弱得多。了解痣的形态学特征也可能反映几何学和力学而不是恶性可能与诊断目的有关
2014-04-16 q-bio.TO
Modelling the effect of curvature on the collective behaviour of cells growing new tissue
已知若干生物组织的生长部分地由局部几何特征（诸如组织界面的曲率）控制。这种控制导致组织形状的变化，这反过来又会影响组织的进化。了解这种控制的细胞基础对于生物支架组织工程、骨微结构的演变、伤口愈合和肿瘤生长具有重要意义。虽然以前的模型已经提出了组织生长和曲率之间的几何关系，细胞密度和细胞活力的作用仍然知之甚少。我们提出了一个细胞为基础的数学模型的组织生长研究系统的影响曲率的集体拥挤或扩散的组织合成细胞引起的局部组织表面积的变化，在运动的接口。根据扩散阻尼的强度，该模型表现出复杂的增长模式，如起伏运动，有效的平滑的不规则性，并产生尖点。我们比较了这个模型与不同几何形状的生物支架中的组织沉积的体外实验。通过考虑活性细胞的消耗，该模型能够捕获如实验观察到的初始基底几何形状的平滑和组织沉积减缓。
2016-11-30 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Clonal dynamics of surface-driven growing tissues
本研究通过解析计算和基于智能体的随机采样技术推导克隆大小分布，发现表面驱动生长的组织呈现特征性幂律分布，从而为从遗传谱系示踪实验中推断体内组织生长模式提供了理论依据。
2024-03-26 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.QM
Fingering instabilities in tissue invasion: an active fluid model
转移性肿瘤通常通过形成从癌块出现的多细胞指状突起来侵入健康的邻近组织。为了理解这一现象背后的力学背景，我们在这里开发了一个自我推进的，不断生长的生物组织的极简流体模型。该理论只涉及四个力学参数，并在各种设置中保持分析跟踪。作为该模型的应用，我们研究了由我们的主动和膨胀流体制成的二维圆形液滴的演化，并嵌入被动的非生长组织中。该系统可用于模拟上皮层中癌的演变。我们发现，我们的描述可以解释的倾向，肿瘤组织的指法不稳定性，作为条件的积极牵引和生长动力学的幅度。我们还能够预测转移开始时的肿瘤大小，以及随后的侵袭性指的数量。我们的主动流体模型可能有助于描述更广泛的生物过程，包括伤口愈合和发育模式。
2018-09-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Growth phases of an active tissue: determinate, indeterminate, and proportionate
International Centre for Theoretical Sciences, Tata Institute of Fundamental Research（塔塔基础研究所国际理论科学中心）
本研究通过构建活性黏弹性连续介质模型，揭示活性组织的确定型、不确定型、比例型生长由活性应力与弹性模量的比值及机械阻抗决定，统一于同一力学框架。
2026-08-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Feedback from tissue mechanics self-organizes efficient outgrowth of plant organ
植物器官的生长表面上看起来像一片细胞的连续机械变形。然而，细胞作为单独的机械实体如何在生长过程中可靠有效地将组织变形为三维仍然令人困惑，特别是当细胞像植物组织一样紧密连接时。在植物中，组织内细胞的力学被特别好地定义为单个细胞生长基本上是响应于内部膨压的细胞壁的机械屈服。细胞壁刚度由生物信号传导控制，因此，观察到细胞生长对组织内积累的机械应力作出响应。在三维组织变形过程中，机械反馈的作用是什么？在这里，我们开发了一个三维的顶点模型，调查组织力学在发病时的器官生长在植物梢端。我们发现，器官高度主要取决于启动器官的生长较快的细胞与周围生长较慢的细胞的生长速率之比。值得注意的是，当细胞生长响应于组织范围的机械应力时，生长速率更高。我们的模拟数据的定量分析表明，细胞生长的组织力学反馈可以通过双重机制。首先，反馈引导细胞生长的模式。第二，反馈修改细胞上的应力模式，从而放大和传播生长各向异性。这种机制可以允许植物通过重组细胞生长而不是膨胀生长速率来有效地从分生组织中生长器官。
2020-04-25 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Critical Point in Self-Organized Tissue Growth
我们提出了一个理论的斑图形成在不断增长的领域的启发组织发展的生物学的例子。信号分子的替代物调节生长，而生长通过稀释和平流改变这些分级的化学模式。我们确定了一个临界点的反馈动力学，其特征在于空间均匀的增长和比例缩放的模式与组织长度。我们将这一理论应用到果蝇\textit{Drosophila melanogaster}翅膀发育的生物学模型系统中，并定量识别临界点的特征。
2018-04-25 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Dynamics of Plant Growth; A Theory Based on Riemannian Geometry
在这项工作中，一个新的宏观植物组织生长模型的基础上动态黎曼几何。我们将1D和2D组织视为尺寸大于1 mm的连续、可变形、不断生长的几何形状。生长组织的动力学描述的一组耦合张量方程在非欧（弯曲）空间。这些耦合方程代表了一种新的反馈机制之间的增长和曲率动力学。对于一维生长，数值模拟相比，两个措施的根生长。首先，模块化的增长沿模拟根显示了一个伸长区常见的许多种植物的根。第二，相对元素生长率（REGR）计算在硅片表现出时间动态最近在高分辨率的根生长研究，但迄今缺乏一个生物学假说来解释它们。也就是说，REGR可以从位于根尖附近的单峰演变为双峰结构。在我们的模型中，这是将增长视为几何反应扩散过程和由于新材料的分布式来源而引起的膨胀的直接结果。在二维空间中，我们研究了具有突现负曲率的圆对称生长盘。这些结果进行了比较薄盘实验，这是一个代理模型植物叶片。这些结果也适用于伞盖的曲率演化和不均匀生长模式。最后，我们将该模型扩展到各向异性磁盘和预测的增长动力学的二维曲面，开发一个细长的形状与本地的皱褶。我们的模型还提供了组织生长动力学的几个措施。这些包括度量和速度场的时间演化，它们是模型中的动态变量，以及膨胀、剪切和旋转，它们是表征组织生长的变形张量。
2016-02-04 physics.bio-ph q-bio.TO
