Models, measurement and inference in epithelial tissue dynamics
大多数实体瘤发生在上皮细胞中，因此许多研究工作已经进入调查这些组织的生长，更新和调节。在这里，我们回顾了不同的数学和计算方法，已被用来模拟上皮细胞。我们比较了不同的模型，并描述了未来需要克服的挑战，以充分利用新的数据，这是第一次，详细的模型验证和比较的真正可能性。
2015-06-16 q-bio.TO
Bubbly vertex dynamics: a dynamical and geometrical model for epithelial tissues with curved cell shapes
为了从数学上和物理上描述上皮组织中细胞的二维堆积，已经发展了几种几何模型，如顶点模型、有限元模型、细胞中心模型、细胞Potts模型等。到目前为止，在任何情况下，压力都没有被整齐地处理，甚至通过近似忽略了单元边界的曲率。我们专注于这些量，并制定他们的顶点模型。为此，构造了具有曲率的模型，并给出了仿真算法。它可能的扩展和应用也将被讨论。
2014-10-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Tension-oriented cell divisions limit anisotropic tissue tension in epithelial spreading during zebrafish epiboly
上皮扩散是各种发育和疾病相关过程（如上皮闭合和伤口愈合）的常见和基本方面。上皮组织经历扩散的一个关键挑战是在不破坏上皮完整性的情况下增加其表面积。在这里，我们表明，定向细胞分裂的张力构成了一个有效的机制，其中包膜细胞层（EVL）释放各向异性的张力，而在斑马鱼epiboly进行扩展。张力对EVL细胞分裂方向的控制涉及细胞伸长，并需要肌球蛋白II活性以使有丝分裂纺锤体与主张力轴对齐。我们还发现，在缺乏张力导向的细胞分裂和组织张力增加的情况下，EVL细胞发生异位融合，这表明通过定向细胞分裂降低张力各向异性是防止EVL细胞融合所必需的。我们的结论是，细胞分裂方向的张力构成了一个关键的机制，限制张力各向异性，从而促进组织扩展EVL外包。
2015-05-07 physics.bio-ph q-bio.TO
Active wetting of epithelial tissues: modeling considerations
形态发生、组织再生和癌症侵袭涉及组织形态的转变。由集体细胞迁移（CCM）引起的这些转变已被解释为主动润湿/去润湿转变。在模型系统上考虑了这种现象，例如刚性基底上细胞聚集体的润湿，其中包括细胞聚集体运动和细胞单层在聚集体周围的各向同性/各向异性扩散，这取决于基底刚度和聚集体尺寸。该模型系统将3D上皮聚集体和2D细胞单层之间的转变解释为以下各项的产物：（1）组织表面张力，（2）基质的表面张力，（3）细胞-基质界面张力，（4）界面张力梯度，（5）由CCM引起的粘弹性，以及（6）基质的粘弹性。这些物理参数取决于细胞收缩性和细胞-细胞和细胞基质粘附接触的状态，以及CCM引起的细胞系统的拉伸/压缩。尽管对细胞湿润进行了广泛的研究，但我们仍然不了解这些物理参数之间的相互作用，这些参数会导致细胞重排的振荡趋势。本文综述了这些物理参数在管理的上下文中的上皮聚集体润湿细胞重排。去湿，和建模方法，旨在再现和理解这些生物系统。在这种情况下，我们不仅回顾了以前发表的生物物理模型CCM引起的细胞重排，但也提出了新的扩展这些模型，以指出细胞-基质界面张力和上皮粘弹性之间的相互作用和界面张力梯度在细胞扩散中的作用。
2022-08-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Undulation Instability of Epithelial Tissues
将上皮细胞作为粘弹性基质附近的不可压缩流体处理，我们发现了一种新的流体动力学不稳定性，导致上皮细胞突起形成基质。这种不稳定性是在体内观察到的上皮指状的候选者。它发生在足够大的粘度、细胞分裂速率和上皮中分裂区域的厚度。我们的工作提供了一个潜在的机制，上皮细胞和间质之间的界面起伏，并可能通过组织发育不良导致癌的侵袭物理洞察。
2011-05-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Active wetting of epithelial tissues
发育、再生和癌症涉及组织形态的急剧转变。与惰性流体的行为类似，这些转变中的一些被解释为润湿转变。然而，这种类比的有效性和范围尚不清楚，因为驱动组织润湿的活跃细胞力既没有被测量也没有被理论解释。在这里，我们表明，2D上皮单层和3D球状聚集体之间的过渡可以理解为一个主动润湿过渡，其物理性质从根本上不同于被动润湿现象。通过结合一个积极的极性流体模型与测量的物理力作为一个功能的组织大小，收缩性，细胞-细胞和细胞-基板的粘附性，和基板的刚度，我们表明，润湿过渡的结果之间的竞争牵引力和收缩细胞间的应力。这种竞争定义了一个新的内在的长度尺度，产生了一个临界尺寸的润湿过渡组织，一个引人注目的功能，没有对应的经典润湿。最后，我们表明，积极的形状波动动态放大组织去湿。总体而言，我们的结论是，组织蔓延构成了一个突出的例子主动润湿-一种新的物理场景，可以解释组织形态发生和肿瘤进展过程中的形态转变。
2019-02-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Active morphogenesis of patterned epithelial shells
本研究将上皮片层描述为主动粘弹性表面，考虑向列排列引起的各向异性张力与弯矩，发现其与内部张力梯度的结合足以重现褶皱、出芽等上皮形态发生的基本构建模块。
2024-12-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Mechanics of epithelial tissue formation
任何多细胞生物生命中的一个关键过程是从单个卵子发育成完全成熟的成体。这个过程的第一步通常是由卵表面随机放置的细胞形成组织层。我们提出了一个模型，用于产生这样的组织，并发现所得到的细胞图案对应于细胞核的Voronoi镶嵌。在实验中，我们在果蝇和面粉甲虫中获得了相同的结果，细胞形状的分布与模型相匹配，没有任何可调参数。最后，我们表明，当细胞不以相同的速度生长时，这种模式被打破。
2018-06-11 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
A Mechanistic Model of the Organization of Cell Shapes in Epithelial Tissues
该研究提出一种将细胞表征为力偶极子、以弹性介质模拟组织的上皮细胞组织机制模型，数值模拟结果与顶点模型模拟特征一致，为理解细胞组织机制及发育、疾病相关过程提供新见解。
2023-10-06 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.bio-ph
Controlled neighbor exchanges drive glassy behavior, intermittency and cell streaming in epithelial tissues
本研究在顶点模型中引入T1转变的时间约束，发现其消除运动驱动的玻璃态转变并产生快慢细胞流，预测与果蝇蛹发育实验相符。
2020-03-02 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft q-bio.CB
Elasticity and plasticity of epithelial gap closure
Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics（马克斯·普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）
研究上皮间隙闭合中细胞重排与组织弹性相互作用，揭示流体化组织中不均匀的肌动蛋白-肌球蛋白电缆的机械作用。
2025-09-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Shear-driven solidification and nonlinear elasticity in epithelial tissues
从形态发生到肿瘤侵袭的生物过程在活组织内自发地产生剪切应力。然而，对上皮中机械力的传递和组织对大剪切变形的集体反应的机制仍然知之甚少。采用基于最小单元的计算模型，研究了简单剪切变形下融合组织的本构关系。我们表明，最初未变形的流体状组织获得有限的刚度以上的临界施加应变。这类似于在其他软物质系统中观察到的剪切驱动刚性。有趣的是，剪切驱动的刚性可以理解的临界尺度分析附近的二阶临界点，支配未变形系统的液-固转变。我们进一步表明，一个solidlike组织线性响应小应变，但然后切换到一个非线性响应在较大的染色，与实质性的硬化。最后，我们提出了一个剪切下的细胞平均场公式，提供了一个简单的物理解释剪切驱动的刚性和非线性响应的组织。
2022-11-28 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.bio-ph
Rigidity of Epithelial Tissues as a Double Optimization Problem
该研究将上皮组织刚性调控建模为双重优化问题，证明仅调节细胞刚度不影响刚性转变，而调节目标形状或面积可通过空间相关性改变刚性转变，揭示组织通过协调细胞尺度可调自由度实现组织尺度行为。
2025-06-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Collective and single cell behavior in epithelial contact inhibition
细胞增殖的控制是组织生理学的一个基本方面，对形态发生、伤口愈合和癌症至关重要。虽然许多分子遗传因子现在是已知的，但系统水平的生长调节仍然知之甚少。在体外正常分化的上皮细胞培养物中遇到细胞增殖抑制的简单形式，称为“接触抑制”。本文提出的研究提供了在组织范围和单细胞水平上的接触抑制动力学的定量表征。使用培养的MDCK细胞的长期跟踪，我们证明，抑制细胞分裂在一个融合的单层细胞运动抑制，并设置在机械约束时，局部扩张导致分裂，以减少细胞面积。我们量化细胞运动和细胞周期的统计数据在低密度汇合制度和它们的变化，在过渡到上皮形态，发生随着细胞密度的增加。然后，我们研究了还原性分裂产生的细胞面积分布的动态变化，确定了平均有丝分裂率与细胞大小的函数关系，并证明当细胞面积低于临界值时，有丝分裂会完全停止。我们还提出了一个简单的计算模型的增长力学，捕捉所观察到的行为的各个方面。我们的测量和分析表明，接触抑制是机械相互作用和约束的结果，而不是单独的界面接触，并定义定量表型，可以指导未来的研究接触抑制的分子机制。
2011-12-02 q-bio.CB q-bio.TO
Fast determination of coarse grained cell anisotropy and size in epithelial tissue images using Fourier transform
机械应变和应力在诸如伤口愈合或形态发生的生物过程中起主要作用。为了定量地评估这种作用，在大视场中以细胞精度获取组织的固定或实时图像。为了利用这些数据，必须分析大量细胞以提取细胞形状各向异性和细胞大小。最常见的是，这是通过使用所谓的分割计算机程序进行详细的单个细胞轮廓确定来执行的，如果需要，还可以通过手动检测和错误校正来补充。然而，至少在三种情况下，可以推荐一种粗粒度和更快的技术。首先，当不需要关于单个细胞轮廓的详细信息时，例如在仅需要关于细胞各向异性的粗粒度平均信息的研究中。第二，作为探索性步骤，以确定完整分割是否可能有用。第三，当分割太困难时，例如由于图像质量差或细胞数量太大。我们开发了一个用户友好的，基于傅立叶变换的图像分析管道。它是快速的（通常$10^4$细胞每分钟与当前的笔记本电脑），并适合时间，空间或合奏平均。我们在一组人工图像和两组完全分割的图像上验证了它，一组来自果蝇蛹，另一组来自鸡胚;管道结果是鲁棒的。前景包括\textit{in vitro}组织、非生物细胞模式（如泡沫）和$xyz$堆栈。
2019-03-17 physics.med-ph q-bio.CB q-bio.TO
Multicellular rosettes drive fluid-solid transition in epithelial tissues
融合生物组织的模型通常将由细胞形成的网络描述为三结点网络，类似于泡沫。然而，高阶顶点或多细胞突起在发育和体外\it过程中普遍存在，并且已被认为在形态发生、疾病和生理学的许多重要方面至关重要。在这项工作中，我们研究的影响，rophobia的力学融合组织。我们发现，在一个组织中的存在的roxylase可以大大影响其刚度。使用广义顶点模型和有效介质理论，我们发现一个流体到固体的转变驱动的玫瑰花结密度和细胞内的张力。这种转变表现出二阶相变的几个特征，如增长的相关长度和在临界点附近的普遍临界标度。此外，我们阐明了刚性过渡的性质，在致密的生物组织和其他细胞结构，使用广义麦克斯韦约束计数方法。这回答了一个长期存在的难题，即这些系统中固体的起源。
2019-01-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
A Mean-Field Model for Active Plastic Flow of Epithelial Tissue
本研究结合对称性论证与随机均场模型，利用弹性弛豫与形态发生动力学的时间尺度分离，建立了上皮组织主动塑性流动的粗粒化模型，解释了自限性行为及外部场对定向重排的维持作用。
2024-09-19 cond-mat.soft q-bio.TO
A Geometric Tension Dynamics Model of Epithelial Convergent Extension
本文提出上皮汇聚延伸的几何张力动力学模型，揭示肌球蛋白张力正反馈驱动T1转变，并发现组织变形程度受初始细胞堆积有序性限制，成功解释果蝇胚带伸长减速现象。
2024-10-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Cooperation of dual modes of cell motility promotes epithelial stress relaxation to accelerate wound healing
细胞在凝聚单元中的集体迁移对于组织形态发生、伤口修复和免疫应答至关重要。虽然集体细胞运动的基本驱动力来自单个细胞的收缩和扩张活动，但仍然不知道它们的平衡如何优化以保持组织的凝聚力和运动的流动性。在这里，我们提出了一个基于细胞的计算模型，集体细胞迁移在伤口愈合过程中，采用机械化学耦合的细胞运动和粘附动力学与随机变换的主动运动力。我们表明，扩张运动和肌动球蛋白收缩性的平衡是优化的伤口修复的速度，这是强大的细胞和基板的机械性能的变化。这种平衡是伤口愈合期间快速集体细胞运动的基础，这是由组织中张力介导的集体细胞引导和主动应力松弛之间的权衡造成的。
2018-08-06 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Active Fingering Instability in Tissue Spreading
在上皮组织的伸展过程中，前进的组织前端经常发展出指状突起。他们的相似之处，传统的粘性指状图案驱动的流体表明，上皮手指可能会出现界面的不稳定性。然而，这种假定的不稳定性的存在和物理机制仍然不清楚。在这里，基于一个积极的极性流体模型的上皮扩散，我们分析预测一个通用的不稳定性的组织前。一方面，积极的细胞牵引力施加的速度梯度，导致加速前，这是，因此，不稳定的长波长扰动。另一方面，在稳定短波长扰动时，收缩性细胞间应力通常超过表面张力。最后，组织中的有限范围的流体动力学相互作用选择用于指状图案的波长，因此，该波长由组织尺寸和流体动力学筛选长度之间的最小值给出。总体而言，我们表明，扩展上皮细胞经历了一个简单的运动学机制的基础上积极的指法不稳定。此外，我们的研究结果强调了远程流体动力学相互作用的组织形态的动力学中的关键作用。
2019-03-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
A migrating epithelial monolayer flows like a Maxwell viscoelastic liquid
我们进行了一个二维斯托克斯实验中的活性细胞材料：一个自主迁移的单层Madin-Darby犬肾（MDCK）上皮细胞流动周围的圆形障碍物内的一个长而窄的通道，涉及细胞形状的变化和邻居重排之间的相互作用。基于组织流动和粗粒度细胞各向异性的图像分析，我们确定了组织应变率，细胞变形和重排率场，这是空间异质性。我们发现，细胞的变形和重排率场强烈相关，这是兼容的麦克斯韦粘弹性液体行为（而不是与开尔文-福格特粘弹性固体行为）。相关弛豫时间的值测量为$τ= 70 \pm 15$ ~min，观察到与障碍物大小和分裂速率无关，并且通过抑制肌球蛋白活性而增加。在该实验中，单层表现为具有接近1的Weissenberg数的流动材料，这表明弹性和粘性效应在集体细胞迁移的过程中可以具有可比的贡献。
2020-04-27 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Cell bulging and extrusion in a three-dimensional bubbly vertex model for curved epithelial sheets
Institute for Theoretical Physics, Heidelberg University（海德堡大学理论物理研究所）；BioQuant, Heidelberg University（海德堡大学生物定量研究中心）；Max Planck School Matter to Life, Heidelberg University（海德堡大学马克斯·普朗克生命物质学院）；Institute of Science and Technology Austria（奥地利科学技术研究所）；Division Signaling and Functional Genomics, German Cancer Research Center (DKFZ)（德国癌症研究中心信号与功能基因组学部）；Department of Molecular Human Genetics, Medical Faculty Heidelberg, Heidelberg University（海德堡大学医学院分子人类遗传学系）
本文提出一种三维气泡顶点模型，研究细胞挤出与曲率的相互作用，发现拓扑缺陷处的细胞膨出不稳定性更强，且基底张力稳定了细胞形状，优于组织级机制。
2026-02-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Adapting a plant tissue model to animal development: introducing cell sliding into VirtualLeaf
基于细胞的集体细胞行为的数学建模已经成为发育生物学中的重要工具。基于细胞的模型将单个细胞表示为单个粒子或相互连接的粒子集，并根据一组相互作用规则预测集体细胞行为。特别是，基于顶点的模型是一种流行的工具，用于研究汇合，上皮细胞层的力学。它们将汇合组织中三个（有时更多）细胞之间的连接点表示为点粒子，使用代表细胞边界的结构元素连接。这些模型的缺点是细胞-细胞界面被表示为直线。这对于上皮组织是合适的简化，其中界面通常处于张力下，但是这种简化可能不适合于间充质组织或处于压缩下的组织，使得细胞-细胞边界可能弯曲。在本文中，我们介绍了一个变种的虚拟机，其中这一点和其他两个限制的虚拟机已得到解决。新模型也可以被看作是细胞波茨模型的非格子推广。它是开源软件包VirtualLeaf的扩展，VirtualLeaf最初是为了模拟植物组织形态发生而开发的，其中细胞不会相对于彼此移动。VirtualLeaf目前的扩展引入了一种新的细胞间剪切或滑动规则，T1和T2过渡自然出现，允许VirtualLeaf应用于动物发育问题。我们发现，更新后的VirtualLeaf产生不同的结果比传统的基于顶点的模型差分粘附驱动的细胞分选和软细胞网络的邻域拓扑结构。
2019-03-11 q-bio.CB q-bio.TO
Modelling realistic 3D deformations of simple epithelia in dynamic homeostasis
在动态内环境稳定期间组织和器官结构的维持常常不被很好地理解。为了使系统稳定，细胞更新、细胞迁移和细胞死亡必须精细地平衡。此外，组织的形状必须保持相对不变。简单的上皮组织存在于整个身体的各种结构中，例如内皮、间皮、肺的衬里、唾液和甲状腺以及胃肠道。尽管简单的上皮组织普遍存在，但很少有模型准确描述这些组织如何保持稳定的结构。在这里，我们提出了一种新的，三维，可变形，多层，细胞中心模型的一个简单的上皮。细胞运动受上皮弯曲电位、细胞-细胞黏附和粘性效应的最小化控制。我们表明，该模型是能够保持一致的组织结构，同时进行自我更新。我们还证明了模型的鲁棒性下的组织更新，细胞迁移和细胞去除。这里提出的模型是一个有价值的进步，对复杂和广义结构的组织和器官的建模。
2022-05-09 q-bio.TO
Noninvasive rheological inference from stable flows in confined tissues
Aix Marseille Univ, Université de Toulon, CNRS, CPT (UMR 7332), Turing Centre for Living Systems（艾克斯马赛大学，土伦大学，法国国家科学研究中心，CPT（UMR 7332），图灵生命系统中心）；Université Paris Cité, CNRS, Institut Jacques Monod（巴黎西岱大学，法国国家科学研究中心，雅克·莫诺研究所）；Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg（埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希·亚历山大大学）；Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin（马克斯·普朗克物理与医学中心）；Guangdong Provincial Key Laboratory of Magnetoelectric Physics and Devices, School of Physics, Sun Yat-sen University（广东磁电物理与器件重点实验室，中山大学物理学院）；Centre for Physical Mechanics and Biophysics, School of Physics, Sun Yat-sen University（物理力学与生物物理中心，中山大学物理学院）；Aix Marseille Univ, IBDM (UMR 7288), Turing Centre for Living Systems（艾克斯马赛大学，IBDM（UMR 7288），图灵生命系统中心）；Aix Marseille Univ, Université de Toulon, CNRS, LAI (UMR 7333), Turing Centre for Living Systems（艾克斯马赛大学，土伦大学，法国国家科学研究中心，LAI（UMR 7333），图灵生命系统中心）
通过自驱动应力推断迁移上皮组织的流变学特性，揭示细胞弹性与粘性响应及肌球蛋白II同源物的作用
2025-11-25 cond-mat.soft q-bio.TO
(Un)buckling mechanics of epithelial monolayers under compression
Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics（马克斯·普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）
研究揭示了上皮单层在压缩下出现的'解皱折'现象，通过连续模型分析发现其机械特性变化，为组织褶皱吸收应力提供理论依据。
2024-09-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Glassy Dynamics in Models of Confluent Tissue with Mitosis and Apoptosis
最近的研究表明，任何有限的细胞分裂和细胞死亡率都足以使上皮组织再生。与此同时，实验证据表明，尽管持续的细胞周期，在一些上皮层中存在玻璃态动力学。为了解决这一矛盾，我们量化的作用，细胞出生和死亡的玻璃态融合组织使用模拟的一个积极的顶点模型，包括细胞运动，细胞分裂和细胞死亡。我们的模拟数据与一个简单的分析是一致的，在该分析中，细胞生命周期的速率和在没有细胞周期的情况下组织的松弛速率独立地和附加地贡献于细胞运动的总体速率。具体而言，我们发现，一个玻璃状制度与笼行为所示的亚扩散细胞位移可以实现在系统中具有足够低的细胞周期率。
2019-05-05 cond-mat.soft q-bio.TO
Relating cell shape and mechanical stress in a spatially disordered epithelium using a vertex-based model
使用一个流行的基于顶点的模型来描述一个空间无序的平面上皮单层，我们研究细胞和组织水平上的细胞形状和机械应力之间的关系。推导表达式的应力张量从一个充满活力的制定的模型，我们表明，一个单独的细胞的应力的主轴与形状的主轴对齐，我们确定的体积有效组织压力时，单层是各向同性的组织水平。使用模拟的单层，是不是在周边应力，我们适合的模型参数的实验数据非洲爪蟾胚胎组织。该模型预测，机械相互作用可以产生介观模式内的单层表现出长程相关的细胞形状。该模型还表明，机械和几何线索的方向，如细胞分裂的过程可能是强烈相关的真实上皮。该模型在捕捉爪蟾上皮细胞的几何特征的一些局限性突出。
2017-05-10 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Contact inhibition of locomotion and mechanical cross-talk between cell-cell and cell-substrate adhesion determines the pattern of junctional tension in epithelial cell aggregates
我们生成了一个计算方法来分析上皮细胞聚集体的生物力学，无论是岛或条纹或整个单层，结合顶点和接触抑制运动模型，包括细胞-细胞和细胞-基质粘附。检查模型中细胞突起（粘附到基底）的分布预测了与先前实验观察到的细胞组织一致的高阶轮廓。细胞获得了一个不对称的分布，基底突起，牵引力和顶端的纵横比，减少从边缘移动到岛中心。我们的计算机模拟分析还表明，细胞-细胞连接处的张力和顶端应力在整个岛上并不均匀。相反，这些参数在岛中心较高，并随着岛的大小而增加，我们使用激光消融试验和免疫荧光实验证实了这一点。没有正式的三维模型，我们的方法有必要重现细胞力和机械串扰的分布，以及在上皮细胞聚集体内的细胞中的主应力分布的最小元素。通过实验可测试的预测，我们的方法将有利于上皮组织的力学分析，特别是当细胞-细胞和/或细胞-基质粘附的局部变化驱动集体细胞行为时。
2016-11-18 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Active dynamics of tissue shear flow
我们提出了一个流体动力学理论来描述剪切流在发育中的上皮组织。我们介绍了流体动力学场对应的状态属性的组成细胞，以及由于在细胞网络拓扑结构的重排的整体组织剪切流的贡献。然后，我们构建了一个通用的线性本构方程的剪切速率，由于拓扑重排，我们调查了一种新的流变行为所造成的记忆效应的组织。我们确定了两个不同的活跃的细胞过程：在组织中产生主动应力，并积极驱动拓扑重排。我们发现，这两个活跃的过程可以产生不同的细胞和组织形状的变化，这取决于应用于组织上的边界条件。我们的研究结果的理解在发展过程中的组织形态发生的后果。
2016-11-25 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Shape and size changes of adherent elastic epithelia
上皮组织在发育和早期胚胎发生过程中的各种形态发生事件中起着重要作用。尽管上皮单层通常被建模为二维（2D）弹性表面，但它们在三个重要方面与传统的薄弹性板区分开来--顶基极性的存在、细胞厚度的空间变异性以及它们的非平衡活性性质。在这里，我们开发了一个最小的连续模型的平面上皮组织作为一个积极的弹性材料，包括所有这些功能。我们从一个完整的三维（3D）描述的组织，并获得一个有效的2D模型，捕捉，通过顶端表面的曲率，顶部-基底的不对称性和组织的空间几何形状。至关重要的是，跨顶基轴的主动应力的变化导致可以驱动曲率过渡的主动扭矩。通过确定四个不同的活动来源，我们发现，大量的主动应力所产生的肌动球蛋白收缩性和增长的竞争与边界的主动张力，由于本地化的肌动球蛋白电缆和lamellipodial活动产生跨越形态空间的平面上皮的各种状态。因此，我们的治疗通过顶端曲率变化和基质粘附组织的平面内膨胀/收缩的耦合机制来统一3D形状变形。最后，我们讨论了我们的研究结果的影响，一些生物学相关的过程，如组织折叠在管腔形成的发病。
2020-06-11 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Leader-cell-driven epithelial sheet fingering
集体细胞迁移在许多生物学过程中是至关重要的，如伤口愈合、组织形态发生和肿瘤进展。集体迁移的上皮细胞层的前沿往往不稳定成多细胞的指状突起，每个突起都由指尖的前导细胞引导。在这里，我们开发了一个亚细胞元素为基础的模型，这种指状不稳定性，它结合了领导细胞和其他相关特性的单层上皮细胞。我们的模型恢复了MDCK细胞实验中观察到的动力学的多个方面，特别是牵引力模式和速度场。我们的模型预测的必要性的领导细胞和它的最小功能的形成和维持一个稳定的手指图案。同时，我们的模型允许分析超细胞肌动蛋白电缆在前沿的作用，预测虽然这种观察到的结构有助于保持手指的形状，但它不是形成手指所必需的。此外，我们还研究了连续介质主动流体模型下的驱动不稳定性，验证了计算方法中的一些假设。特别是，我们表明，在我们的模型中，没有手指突起会出现在一个表型均匀的活性流体，因此领导细胞及其追随者的作用往往是至关重要的。
2020-05-06 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Src Kinase Slows Collective Rotation of Confined Epithelial Cell Monolayers
本研究利用光遗传学精确控制Src激酶激活，结合极性活性流体的流体力学模型，发现Src类病理激活会通过降低极性角与摩擦的比值减缓受限上皮细胞的集体旋转，揭示了Src活性调控对细胞集体协调行为的重要性。
2024-10-30 physics.bio-ph q-bio.TO
A mathematical insight in the epithelial-mesenchymal-like transition in cancer cells and its effect in the invasion of the extracellular matrix
University of Mainz（美因茨大学）
研究通过数学建模探讨癌细胞转化过程及对细胞外基质侵袭的影响，提出两种系统模型。
2015-05-16 cs.NA math.NA q-bio.CB
A senescent-immune reserve niche hypothesis for incomplete lobular involution in the aging breast
Mayo Clinic（梅奥诊所）
本文提出一种新的框架，解释了为何部分绝经后小叶持续存在，并探讨其与乳腺癌风险的关系，强调了免疫监视在清除衰老细胞中的作用。
2026-09-15 q-bio.TO
Correlating Cell Shape and Cellular Stress in Motile Confluent Tissues
集体细胞迁移是涉及伤口愈合、癌症转移和形态发生的高度调节的过程。细胞之间的机械相互作用提供了协调这种集体运动的重要调节机制。使用自推进Voronoi（SPV）模型，将细胞力学与细胞形状和细胞运动性联系起来，我们制定了一个广义的机械推理方法，从运动组织中测得的牵引力中获得细胞应力的时空分布，并表明这种基于牵引的应力与瞬时细胞形状计算的应力相匹配。我们还使用应力信息来表征组织的流变特性。我们确定了一个运动诱导的游泳压力，增加了相互作用的压力，以确定全球的收缩性或延伸性的上皮细胞。我们进一步表明，相互作用剪应力的时间相关性决定了组织在液固转变时发散的有效粘度，这表明直接从牵引数据中提取流变信息的可能性。
2017-04-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Minimal cellular automaton model with heterogeneous cell sizes predicts epithelial colony growth
研究通过扩展概率元胞自动机模型以纳入细胞大小变化，模拟平面细胞培养动力学，发现仅体积排斥与尺寸依赖增殖率即可产生接触抑制现象。
2024-06-28 nlin.CG physics.bio-ph physics.data-an
Homeostatic regulation of renewing tissue cell populations via crowding control
为了维持更新的上皮组织处于健康的稳态，（干）细胞分裂和分化需要严格调节。稳态控制的机制通常依赖于拥挤控制：细胞能够感知其环境中的细胞密度（通过各种分子和机械感应途径），并通过适当地调整分裂，分化和细胞状态转变来做出反应。在这里，我们确定，通过一个数学上严格的框架，拥挤反馈调节的一般条件（i）必须满足最低限度，（ii）是足够的，以允许在更新组织的稳态维持。我们表明，这些条件自然允许一定程度的鲁棒性对监管中断。此外，这种反馈调节的内在原因是，干细胞身份是由细胞群体集体建立的，而不是由单个细胞建立的，这意味着“准去分化”的可能性，其中致力于分化的细胞可能在干细胞库耗尽时重新获得干细胞特性。这些发现可以指导未来的实验活动，以确定特定的拥挤反馈机制。
2023-01-12 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
Geometric Confinement Reveals Scale-Free Velocity Correlations in Epithelial Cell Monolayer
Université Claude Bernard - Lyon 1（里昂第一大学）；CNRS, ILM, UMR5306（法国国家科学研究中心，复杂系统与生物物理研究所，联合研究单位5306）；Université Paris Cité（巴黎西岱大学）；CNRS, MSC, UMR7057（法国国家科学研究中心，分子与细胞生物学实验室，联合研究单位7057）
研究揭示了上皮细胞单层中无标度速度相关性，通过几何约束和微图案化基底影响流体组织与机械场。
2025-11-26 q-bio.TO
Cooperation and competition in the dynamics of tissue architecture during homeostasis and tumorigenesis
细胞与细胞接触网络的构建使得表征组织的模式和空间组织成为可能。这种网络是高度动态的，取决于由细胞分裂、死亡和迁移引起的组织结构的变化。局部竞争和合作的细胞间相互作用影响细胞的选择。我们回顾了有关上皮组织拓扑结构定量数据的文献，并提出了一个动态网络模型，该模型可用于探索具有任意细胞间相互作用的二维组织结构的演化动力学。特别是，我们表明，各种形式的实验观察到的类型的相互作用，可以使用博弈论建模。我们讨论了一个合作和非合作的细胞间通信的模型，可以捕获细胞竞争和组织动力学之间的相互作用。最后，我们展望了这种方法在建模肿瘤发生和组织稳态的可能用途。
2013-06-24 q-bio.PE q-bio.TO
Kalman inversion stress microscopy
虽然机械线索是至关重要的组织形态发生和发展，组织的机械应力场仍然很差的特点。鉴于牵引力时移电影，通过牵引力显微镜在体外细胞片，我们表明，组织应力场可以通过卡尔曼滤波估计。在使用数值数据进行验证后，我们将卡尔曼反演应力显微镜应用于实验数据。我们将推断的应力场与速度和细胞形状测量相结合，以量化生理条件下上皮细胞单层的流变学，发现其接近于弹性和活性材料。
2018-09-28 q-bio.QM q-bio.TO
Quantifying tissue growth, shape and collision via continuum models and Bayesian inference
虽然组织通常被孤立地研究，但这种情况很少发生在生物学中，因为细胞，组织和器官在不同尺度上共存和相互作用，以确定形状和功能。在这里，我们采取了定量的方法，结合最近的实验，数学建模和贝叶斯参数推断的数据，来描述多个上皮片的自组装生长和碰撞。我们使用两个简单的和研究的连续模型，其中细胞移动随机或人口压力梯度。经过适当的校准，这两个模型被证明是实际上可识别的，并可以重现单次组织扩张的主要特征。然而，我们的研究结果表明，每当组织-组织相互作用变得相关时，随机运动假设可能导致不切实际的行为。在这种情况下，一个模型占人口压力从不同的细胞群体是更合适的，并显示出更好的协议与实验测量。最后，我们讨论了组织形状和压力如何影响多组织碰撞。因此，我们的工作提供了一个系统的方法来量化和预测复杂的组织结构与组织复合材料的设计中的应用，更普遍的组织工程。
2023-02-06 nlin.PS q-bio.QM q-bio.TO
Interfacial friction dictates long-range force propagation in tissues
组织的特征是由细胞和细胞外基质（ECM）等功能单元层组成。然而，层间界面的动力学如何帮助传递组织中的细胞力仍然被忽视。在这里，我们研究了一个多层系统，其中一层上皮细胞接种在与硬表面接触的弹性基底上。我们的实验表明，在细胞层中的细胞挤出事件后，只有当两个基底层彼此弱附着时，才在基底中出现长程波传播。然后，我们推导出一个理论模型，定量再现的波动动力学，并解释了如何基板层之间的摩擦滑动有助于传播细胞的力量在各种尺度上，根据刚度，厚度和光滑的基板。这些结果突出了层之间的界面摩擦在体内组织中传递机械线索的重要性。
2021-11-23 physics.bio-ph 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
Mechanical heterogeneity in tissues promotes rigidity and controls cellular invasion
我们研究的影响，细胞水平的机械异质性上皮组织使用基于顶点的模型。单细胞刚度的异质性作为淬火随机变量引入每个细胞的优选形状指数（$p_0$）。我们发现了一个交叉缩放的组织剪切模量，这表明组织的集体刚度是由一个单一的参数$f_r$，占刚性细胞的分数控制。有趣的是，刚性开始发生在$f_r=0.21$，远低于刚性细胞的接触渗透阈值。由于刚性和接触变形的分离，异质性可以增强组织刚性并产生中间固体状态。异质性对肿瘤侵袭动力学的影响也进行了研究。当组织变得更硬时，存在侵入的总体阻抗。入侵也可以发生在中间异质固态，其特征在于显着的时空不稳定性。
2019-05-07 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Single cell resolution 3D imaging and segmentation within intact live tissues
University College London（伦敦大学学院）；Laboratory for Molecular Cell Biology（分子细胞生物学实验室）；Institute for the Physics of Living Systems（生命系统物理研究所）
本文提出了一套完整的活体组织单细胞分辨率3D成像与深度学习辅助分割方案，涵盖样品制备、成像设置及计算流程，并提供了自定义代码，适用于果蝇翅盘等多种组织的复杂3D分析。
2025-01-31 cs.AI cs.CV q-bio.CB
Quantification of Nematic Cell Polarity in Three-dimensional Tissues
上皮细胞如何协调其极性以形成功能组织是细胞生物学中的一个悬而未决的问题。在这里，我们描述了在肝组织中发现的一种独特类型的极性，即肝细胞极性，这与简单的片状上皮细胞中的矢量细胞极性不同。我们提出了一个概念和算法的框架来表征复杂的极性蛋白质在细胞表面的多极扩展方面的模式。为了严格量化先前观察到的组织水平的细胞极性模式（Morales-Navarette et al.，eLife 8：e44860，2019），我们引入了共取向序参数的概念，其推广了液晶理论的已知双轴序参数。将这些概念应用于小鼠肝组织的高分辨率成像数据的单细胞三维重建，我们发现肝细胞的双细胞极性的轴表现出局部协调，并与血液运输的双轴各向异性正弦网络对齐。我们的研究将肝组织作为双轴液晶的生物学实例。这里开发的一般方法可以应用于其他组织或体外类器官。
2020-04-22 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Comparative study of non-invasive force and stress inference methods in tissue
在动物发育过程中，组织的形状部分来自细胞之间的机械和生物化学相互作用。测量组织中的应力对于研究形态发生及其物理约束是必不可少的。到目前为止报道的压力的实验测量是侵入性的、间接的或局部的。一种理论方法是从细胞形状和连接性进行力推断，这是非侵入性的，可以提供应力的时空图，并依赖于前因子。在这里，为了验证力推理方法，我们对它们进行了比较研究。三个力推理方法，不同的处理不确定性的细胞形状和力之间的反问题的方法，进行了测试，通过使用两个人工和两个实验数据集。我们使用不同数据集的结果一致表明，我们的贝叶斯力推断，其中细胞连接的张力和细胞压力同时估计，在准确性和鲁棒性方面表现最好。此外，通过测量应力各向异性和松弛，我们交叉验证了力推断和组织的全局环形消融，其中每一个都依赖于不同的前因子。力推理方法在不同系统的利益的实际选择进行了讨论。
2013-01-18 cond-mat.soft q-bio.QM q-bio.TO
Anisotropy links cell shapes to tissue flow during convergent extension
在发育中的胚胎中，组织在短至几分钟的时间内流动和重组。这包括上皮组织，由于外力或内部细胞产生的力的各向异性，上皮组织通常在会聚延伸运动中变窄和伸长。然而，允许或阻止组织重组的机制，特别是在强各向异性力的存在下，仍然不清楚。我们研究了这个问题的收敛和扩展果蝇胚带上皮，显示平面极化肌球蛋白II和经验的各向异性力从邻近组织，我们表明，在各向同性的组织相比，细胞形状本身是不足以预测发病的快速细胞重排。从理论上考虑和顶点模型模拟，我们预测，在各向异性组织中，需要两个实验上可访问的度量的细胞图案，细胞形状指数和细胞排列指数，以确定各向异性组织是在固体状或流体状状态。我们发现，随着时间的推移，在果蝇胚带细胞形状和排列的变化预测在野生型和蜗牛扭曲突变体胚胎，我们的理论预测的快速细胞重排的发病进一步提高时，我们也考虑到细胞包装紊乱。这些发现表明，会聚延伸与向更像流体的组织行为的转变有关，这可能有助于适应快速发育事件期间的组织形状变化。
2020-05-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Cut it out: Out-of-plane stresses in cell sheet folding of Volvox embryos
Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics（马克斯·普朗克细胞分子生物学与遗传学研究所）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）；Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, University of Cambridge（剑桥大学应用数学与理论物理系）
通过结合激光消融实验与机械模型，揭示Volvox胚胎细胞片折叠中平面外应力的存在及其对组织形态的影响。
2023-10-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Mechanical Instabilities of Biological Tubes
我们从理论上研究各种病理影响的生物管的形状。当上皮细胞以不受控制的速度生长时，它们分裂产生的负张力引起屈曲不稳定性。研究了几种形状：静脉曲张，扩大，正弦或香肠状，所有这些都存在于气管，肾小管或动脉的病理中。最终的形状主要取决于组织的机械参数：杨氏模量、壁腔比、稳态压力。我们认为，由于组织必须在准静态力学平衡，异常的形状传达信息，是什么原因的病理。我们计算了一个相位图的管状不稳定性，这可能是一个有益的指导调查潜在的遗传调控。
2012-07-06 physics.bio-ph q-bio.TO
An Eulerian nonlinear elastic model for compressible and fluidic tissue with radially symmetric growth
细胞增殖、凋亡和肌球蛋白依赖性收缩可以在活组织中产生弹性应力和应变，这些应力和应变可以通过细胞拓扑结构转变和细胞骨架重组的内部重排来消散。此外，细胞和组织可以根据机械信号改变其大小。目前的工作表明，组织的可压缩性和内部重排活动的作用，其大小和力学调节的背景下，由一个领域的生长促进化学因子诱导的差异生长。我们建立了一个基于有限弹性和生长理论的数学模型，并利用参考图技术在欧拉坐标系下描述了组织生长和力学的耦合。我们通过在参考图演化中引入重排率来引入组织重排，当组织生长和变形处于径向对称时，导致弹性能量耗散。通过线性化模型，我们表明，应力遵循麦克斯韦型粘弹性松弛。重排速率，我们称之为组织流动性，决定了应力松弛时间，剪切模量和流动性之间的比率决定了组织粘度。通过非线性模拟生长的组织球体和光盘沿半径的梯度增长率，我们发现，组织的可压缩性和流动性影响其平衡尺寸。通过比较的非线性模拟与线性分析的解决方案，我们显示的尺寸变化作为一个非线性效应，由于平流的组织密度流，这只会发生时，组织的可压缩性和流动性都很小。我们应用该模型研究肿瘤球体生长和上皮细胞盘生长时，反应扩散过程决定的生长促进因子字段。
2021-12-05 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph q-bio.TO
From cell intercalation to flow, the importance of T1 transitions
本文利用多相场模型研究上皮单层中T1转变对组织流动的影响，发现其平均流动呈鞍点结构并驱动涡旋流，且细胞平均分离距离随T1次数线性增加，具有参数鲁棒性。
2024-03-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
