Vertex model instabilities for tissues subject to cellular activity or applied stresses
顶点模型由于其简单、通用和直接包含生物物理参数而被广泛用于描述上皮组织的动力学。在这里，它示出，相当一般地，当细胞修改它们的平衡周长，由于它们的活动，或组织受到外部应力，组织变得不稳定的变形，耦合纯剪切或偏模式，旋转和扩张模式。对于短时间，这些不稳定性使细胞变形，增加其椭圆率，而在较长时间，细胞变得非凸，表明顶点模型不再是这些条件下组织的有效描述。由于在长波长下组织的均匀化，对正六边形组织进行的分析计算与对无序组织的模拟之间的一致性是极好的。
2020-10-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Living Tissue Self-Regulation as a Self-Organization Phenomenon
活组织的自我调节作为生物、生态和社会性质的等级系统中的自组织现象的一个例子正在考虑之中。这些系统的特点是没有任何管理中心，因此，它们的自我调节是基于所有元素的合作互动。这项工作发展了一个数学理论的血管网络响应局部影响的规模个别单位的外周循环。
2009-11-26 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.TO
Optimal experimental design for biophysical modelling in multidimensional diffusion MRI
生物物理组织特性的计算模型已被广泛用于扩散MRI（dMRI）研究，以阐明微观结构特性和MR信号形成之间的联系。对于脑组织，研究界已经开发了被广泛使用的所谓的标准模型（SM）。然而，在临床上适用的采集协议中，使用成对的短脉冲场梯度从一组MR扩散测量中恢复SM参数的逆问题被证明是不适定的。多维dMRI被证明可以通过结合线性和平面张量编码数据来解决这个问题。给定足够的测量，b-张量集的多种选择提供了足够的信息来估计所有SM参数。然而，在存在噪声的情况下，某些集合将提供更好的结果。在这项工作中，我们开发了一个框架，适用于SM的多维dMRI序列的最佳实验设计。这个框架是基于最大化的Fisher信息矩阵，这是平均在整个SM参数空间的行列式。这种平均提供了为预期信号定制的相当客观的信息度量，但这仅取决于采集配置。该度量的优化可以进一步被限制到期望的设计约束的任何子类，例如硬件特定的约束。在这项工作中，我们计算的最佳收购的所有b-张量与固定的特征向量。
2019-07-13 physics.bio-ph physics.med-ph
The Role of Cell-Matrix Interactions in Connective Tissue Mechanics
活组织能够承受日常生活中的大应力，但它也能主动适应动态载荷。这种非凡的机械行为来自活细胞与其非生命细胞外环境之间的相互作用。在这里，我们回顾了最近的见解，涉及细胞和细胞外基质之间的相互作用的生物物理机制，以及这种相互作用如何决定组织力学，重点是结缔组织。我们首先描述了细胞外基质的主要大分子成分在组织力学方面的作用。然后，我们继续强调细胞感知和响应其生化和机械胞外环境的主要途径。接下来，我们将介绍三种主要途径，通过这些途径细胞可以改变其细胞外环境：收缩力的发挥，基质成分的分泌和沉积，以及基质降解。最后，我们讨论了最近的见解，在细胞-基质相互作用的机械生物学是如何促进我们的结缔组织疾病和癌症的病理生理学的理解，并促进组织工程的新策略的设计。
2021-09-07 cond-mat.soft physics.bio-ph
Stochastic biophysical modeling of irradiated cells
本文提出了一种基于拟马尔可夫链蒙特卡罗方法，以生物物理输入为基础的虚拟细胞辐照计算随机模型。该模型是基于整个群体的每个细胞的概率的随机树。通过作为输入提供的概率和概率分布来描述细胞的生物物理学。核和突变理论的适应，众所周知的物理学，产生S形关系的致癌风险作为辐射的函数。适应性反应和旁观者效应的引入提高了模型的适用性。结果表明，虚拟细胞的行为可以成功地建模，例如癌症转化，突变的产生，放射适应或放射治疗。所采用的方法使模型的通用性和实用性的一般过程的模拟。潜在的生物物理曲线和关系也广泛讨论的文件。然而，所提出的理论模型没有描述真实的细胞和组织。曝光几何形状（例如，均匀或非均匀曝光），辐射类型（例如，X射线、伽马射线、中子、重离子等）以及微剂量测定目前没有涉及。该模型主要集中在创建一般的和最大的广泛的数学描述的辐射假设细胞作为复杂的物理系统。
2014-12-21 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.TO
Nonlinear rheology of cellular networks
形态发生关键取决于细胞组织的复杂流变学性质以及它们在长时间重排时保持机械完整性的能力。在本文中，我们研究了由顶点模型描述的多边形细胞网络在涨落存在下的流变性。我们使用三角剖分的方法来分解剪切成细胞形状的变化和细胞重排。考虑到恒定剪切下的稳态应力，我们观察到非线性剪切稀化行为在所有幅度的波动，和一个更强的非线性政权在较低的波动值。我们成功地捕捉到这种非线性流变学的平均场模型，该模型描述了细胞伸长和细胞重排方面的组织。我们进一步在顶点模型中引入各向异性主动应力，并分析了它们对流变性的影响。我们包括这种各向异性的平均场模型，并表明它概括了在模拟中观察到的行为。我们的工作阐明了组织流变学如何与随机细胞重排相关，并提供了一个简单的生物物理模型来描述生物组织。此外，它突出了非线性的重要性，讨论组织力学。
2021-03-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
Physics-informed Neural Network Estimation of Material Properties in Soft Tissue Nonlinear Biomechanical Models
University of Graz（格拉茨大学）；Medical University of Graz（格拉茨医科大学）；Politecnico di Milano（米兰理工大学）；EPFL（洛桑联邦理工学院）
本文提出结合物理信息神经网络与三维软组织非线性生物力学模型，从有限临床数据中重建位移场并估计异质患者特异性材料属性，可检测疤痕组织，助力心脏疾病诊断。
2024-06-17 cs.LG cs.NA math.NA
Antibody binding reports spatial heterogeneities in cell membrane organization
本研究结合实验与模拟，通过量化IgG抗体结合亲和力，以纳米级分辨率报告了活细胞膜上拥挤度的空间异质性，支持脂筏样结构域排除大蛋白的假说，为单抗设计提供新方法。
2022-12-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
A multiscale radiation biophysical stochastic model describing the cell survival response at ultra-high dose rate
本文提出了多尺度广义随机微剂量学模型（MS-GSM2），通过描述多尺度辐射损伤与DNA损伤的时间演化，准确预测了超高剂量率（FLASH）放射治疗中的细胞存活反应，并解释了正常组织与肿瘤的差异性结果。
2024-12-20 physics.bio-ph physics.med-ph
Distribution networks achieve uniform perfusion through geometric self-organization
一般的流量分配网络通常不会在整个服务区域以均匀的速率输送其负荷，而是过度供应营养源附近的区域，而使下游区域供应不足。在这项工作中，我们展示了如何将组织生长与营养密度耦合的局部自适应规则导致自组织均匀地提供营养的流动网络。这种几何自适应规则可以推广并导入到基于力学的自适应模型中，以解决组织中营养物质或生长因子的空间梯度效应。
2021-09-03 nlin.AO physics.bio-ph
Imaging the noncentrosymmetric structural organisation of tissue with Interferometric Second Harmonic Generation microscopy
我们报告的成像肌腱，结缔组织富含胶原蛋白I型蛋白，干涉二次谐波发生（I-SHG）显微镜。我们观察到，沿纤维轴向的非中心对称结构组织可保持在150 μm以上，而在横向上的非中心对称结构组织约为1-15 μm。这些结果解释建模肌腱作为一个非均匀分布的非中心对称的nanocylinders（胶原纤维）沿原纤维轴取向。非中心对称结构组织在几十微米范围内的保存表明，肌腱是由在一个方向上取向的原纤维所占的比例大于另一个方向的区域组成的。
2012-12-21 physics.bio-ph physics.optics
Towards an active matter theory of plant morphogenesis
Max Planck Institute for Plant Breeding Research（马克斯·普朗克植物育种研究所）；Laboratoire de Reproduction et Développement des Plantes, Université de Lyon, ENS de Lyon, UCBL, INRAE, CNRS, Inria（里昂大学、里昂高等师范学院、里昂第一大学、法国国家农业食品环境研究院、法国国家科学研究中心、法国国家信息与自动化研究所植物繁殖与发展联合实验室）；Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, TIMC（格勒诺布尔阿尔卑斯大学、法国国家科学研究中心、格勒诺布尔理工学院TIMC实验室）
本文提出一种整合细胞吸水、组织力学和水分流的植物形态发生理论，通过生物调控、机械力和水分流的相互作用，揭示植物形态生成的物理机制。
2025-12-05 physics.bio-ph
Simultaneous self-organization of arterial and venous networks driven by the physics of global power optimization
本研究提出一种基于全局功率最小化的动静脉网络最优结构确定方法，通过惩罚项避免血管交叉，验证了方形与盘状组织的血管结构，可用于器官血管研究及培养组织、人造肉的3D打印血管设计。
2023-08-23 physics.bio-ph q-bio.TO
Emergent properties of collective gene expression patterns in multicellular systems
多细胞生物体包括由不同细胞类型构建的稳定组织的多样化集合。目前尚不清楚大量相互作用的细胞如何在组织自组织过程中精确协调其基因表达。我们开发了一个广义模型的多细胞基因表达，包括细胞内和细胞间的基因相互作用的组织样集体。我们表明，调整细胞间的信号强度的结果在级联的过渡，从单细胞的自主性向不同的自组织集体状态。尽管有大量的可能的组织状态，信号往往稳定的组成和空间上简单的组织类型，即使是无序的相互作用网络的一小部分。对于不同的相互作用网络和初始条件，保持稳定表型的统计特性。这些结果提供了一个理论框架，可以研究即使对于由大量不同分子介导的复杂相互作用网络，不同生物体中的细胞集合如何稳健地自组织成相对简单的组织，以及不同的稳定组织如何维持体内平衡和疾病。这种组织自组织的理论模型与现代测序技术，特别是空间转录组学之间的密切联系，将使未来的应用在广泛的生物背景。
2022-10-27 nlin.AO physics.bio-ph
Emergent structures and dynamics of cell colonies by contact inhibition of locomotion
组织中的细胞可以根据其功能组织成广泛的结构。组织的急剧变化，如上皮-间充质转化或球状聚集体的形成，通常与组织形态发生或癌症进展相关。在这里，我们通过模拟具有一般细胞样相互作用的自推进粒子来研究细胞集落的组织。细胞柔软性、细胞间粘附和运动接触抑制（CIL）之间的相互作用产生了在几种现有组织表型中观察到的结构和集体动力学。这些包括细胞的规则分布、动态细胞簇、凝胶样网络、集体迁移单层和3D聚集体。我们给出了分析预测之间的过渡noncohesive，凝聚力，和3D细胞的安排。我们明确地表明，CIL如何产生有效的排斥，促进细胞分散，从而阻碍了粘性组织的形成。然而，在连续单层中，CIL导致集体细胞运动，确保细胞间的拉伸应力，并反对细胞挤出。因此，我们的工作突出了CIL在决定细胞集落的新兴结构和动力学方面的突出作用。
2016-12-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
A full contraction-reaction-diffusion model for pattern formation in geometrically confined microtissues
反应扩散模型已被广泛应用于解释早期胚胎发生中基于几何限制的由人类多能干细胞组成的微组织的斑图形成的机制。近年来，研究发现细胞的应力和应变等力学因素决定了干细胞分化的斑图形成。因此，传统的反应扩散模型进行了修改，通过添加机械相关的条款，考虑所发挥的作用的机械线索。然而，这些模型要么没有考虑细胞组织的活性，要么忽略了生物组织是由细胞和间质液组成的多孔弹性本质。因此，目前的模型缺乏生物物理相关性。在这里，我们提出了一个修改后的反应扩散模型，耦合与细胞组织的主动收缩。细胞组织被建模为一片双相多孔弹性材料，其中机械力自然地调节化学信号的运输。这些化学信号引导细胞的命运，从而产生在先前实验中观察到的某些类型的斑图形成。
2022-05-30 physics.bio-ph physics.comp-ph
Multi-phase-field Models of Biological Tissues
本综述介绍了多相场模型在致密软多细胞系统中的应用，探讨其在理解活性物质非平衡物理学、细胞迁移及受限系统中的作用，并展望未来挑战。
2025-05-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Cellular organization in lab-evolved and extant multicellular species obeys a maximum entropy law
多细胞生物的流行部分是由于它们形成复杂结构的能力。细胞如何在这些结构中包装是一个基本的生物物理问题，是它们功能特性的基础。然而，关于细胞堆积几何形状如何产生，以及它们如何受到生长过程中随机噪声的影响-特别是缺乏发育程序-仍然有很多未知数。在这里，我们量化的两个不同的多细胞真核生物的细胞邻域的统计数据：实验室进化的“雪花”酵母和绿色的酵母$Volvox~carteri$。我们发现，尽管在细胞组织中存在很大差异，但与两种生物体中的单个细胞相关的自由空间非常适合修改后的伽马分布，与最初为颗粒状材料开发的最大熵预测一致。这种“熵”的细胞包装确保了一定程度的可预测性，尽管噪音，促进父母后代的忠诚，即使在没有发育调节。再加上不同的生长形态的模拟，这些结果表明，伽马分布的细胞邻域大小是多细胞的一个一般特征，从保守的统计细胞包装。
2021-08-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.PE
Leveraging Optical Anisotropy of the Morpho Butterfly Wing for Quantitative, Stain-Free, and Contact-Free Assessment of Biological Tissue Microstructures
该研究利用大闪蝶翅膀的光学各向异性，开发了免标记且非接触的Morpho增强偏振光显微镜（MorE-PoL）及基于琼斯计算的数学模型，实现了对纤维状生物组织微结构密度的定量分析，在乳腺癌组织检测中表现出稳健性与广泛应用潜力。
2024-05-30 physics.bio-ph physics.med-ph physics.optics
Molecular-scale substrate anisotropy and crowding drive long-range nematic order of cell monolayers
该研究通过高通量成像平台发现分子尺度基底各向异性可引导细胞沿向列轴分裂并产生伸展应力，从而在组织尺度建立长程向列序，为组织工程提供新策略。
2022-10-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Cell-free layer development and spatial organization of healthy and rigid red blood cells in a microfluidic bifurcation
本研究通过微流控T型分叉实验与数值模拟，揭示了健康与刚性红细胞在分叉前后的分布差异及无细胞层发展规律，为理解病理性变形能力受损细胞在复杂网络中的分配提供了基础。
2023-04-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Anomalous mass dependency in Hydra endoderm cell cluster diffusion
本研究通过荧光图像分析追踪Hydra内胚层细胞簇，发现其扩散常数几乎不随簇质量变化，揭示了活性细胞集体行为并解释快速组织分离。
2024-03-02 physics.bio-ph
3D correlative single-cell imaging utilizing fluorescence and refractive index tomography
细胞会改变光的路径，这一事实导致单细胞或组织成像中众所周知的畸变。光学衍射层析成像（ODT）测量导致这些像差的生物物理性质，即折射率（RI）。ODT是荧光成像的补充，不需要任何标记。本研究介绍了悬浮细胞的RI和荧光层析与光流旋转（RAFTOR），定量细胞内RI分布和共定位它与荧光在3D中。用细胞模型验证了该技术，并用于确认HL 60细胞的较低核RI。此外，在RI分布中观察到成年小鼠感光细胞的核倒位。所示的应用证实了之前研究的预测，并说明了RAFTOR提高我们对细胞和组织的理解的潜力。
2017-08-11 physics.bio-ph q-bio.QM
Microbes in porous environments: From active interactions to emergent feedback
本文综述了微生物在多孔环境中的自组织与扩散，强调主动相互作用和反馈对生存适应性的关键作用，并展望跨学科研究以应对人为和气候挑战。
2023-11-19 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
PalaCell2D: A framework for detailed tissue morphogenesis
University of Geneva（日内瓦大学）
PalaCell2D提出了一种基于详细细胞描述和格子玻尔兹曼方法的框架，用于模拟组织形态发生，通过细胞膜动力学和化学信号扩散实现细胞生长与迁移的精确建模。
2021-03-13 physics.bio-ph
Differences in cell death and division rules can alter tissue rigidity and fluidization
组织的机械性能，如刚性和流动性，以及这些性能的变化驱动的干扰-解除干扰转换（UJT），最近受到重视的健康和疾病的各种生物过程，包括癌症的机械标志。然而，大多数对这些机械性能和UJT的分析都回避了这些系统中细胞死亡和分裂的影响。细胞凋亡（程序性细胞死亡）和有丝分裂（细胞分裂）可以驱动组织特性的显著变化。两者之间的平衡对于维持组织功能至关重要，两者之间的不平衡见于癌症进展、伤口愈合和坏死等情况。在这项工作中，我们调查细胞死亡和分裂对组织力学性能的影响，通过将特定的机械敏感触发细胞死亡和分裂的大小和几何形状的细胞内的组织动力学的计算机模型的基础上。具体来说，我们研究细胞迁移，组织对外部应力的反应，组织挤出倾向和组织内不同细胞类型的自组织，作为细胞死亡和分裂的函数以及触发这些事件的规则。我们发现，与没有这些事件的系统相比，不仅细胞死亡和分裂事件显著改变了组织力学，而且驱动这些细胞死亡和分裂事件的触发器的选择也改变了预测的组织力学和整体系统行为。
2022-02-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Substrate stiffness governs dynamics and self-organization of nascent biofilms
本研究结合实验与生物力学建模，探究不同刚度软基底上细菌固着菌落的扩张与自组织，揭示基底刚度对菌落结构、动力学及单层-多层转变的调控机制，为理解生物膜形成提供生物力学视角。
2025-08-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Differentiation of neural-type cells on multi-scale ordered collagen-silica bionanocomposites
细胞对生物物理和生物化学信号作出反应。我们开发了一种由胶原蛋白和二氧化硅颗粒组成的复合丝，该复合丝经修饰以与胶原蛋白相互作用和/或呈现对细胞-基质粘附和信号转导至关重要的层粘连蛋白表位（IKVAV）。这结合了支架和信号传导，并表明胶原组织的局部调节增强了细胞分化。
2020-01-28 physics.bio-ph q-bio.NC
Curvature induces active velocity waves in rotating multicellular spheroids
不同系统的多细胞组织，如胚胎、肠道和肿瘤，依赖于细胞在3D弯曲环境中的协调迁移。在这些环境中，细胞建立超细胞运动模式，包括集体旋转和入侵。虽然这种集体模式在2D平面系统中越来越好地理解，但在3D弯曲组织中集体细胞迁移的几何和拓扑约束的后果在很大程度上是未知的。在这里，我们研究3D集体迁移乳腺细胞球体，这是一个共同的和概念上简单的弯曲几何形状。我们发现，这些旋转的球体表现出集体模式的细胞迁移的形式，沿着赤道传播的速度波的波长等于球体周长。这种波伴随着不可压缩的细胞流的模式，整个球体表面具有拓扑缺陷，如封闭的球形拓扑所示。使用一个最小的活性粒子模型，我们揭示了这种集体模式起源于一个细胞层局限于一个弯曲的表面的积极植绒行为。因此，我们的研究结果确定曲率诱导的速度波作为集体细胞迁移的通用模式，这可能会影响三维弯曲组织的动态组织。
2021-10-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Design and optimization of in situ self-functionalizing stress sensors
Sorbonne University, CNRS, Laboratoire Jean Perrin, LJP（索邦大学）；Sorbonne University, CNRS, Inserm, Institut de Biologie Paris-Seine, IBPS（索邦大学）
本文设计并优化了基于反相乳液的生物相容性自功能化应力传感器，在低表面张力与乳液不稳定性间取得平衡，并在凝胶、脑类器官和斑马鱼胚胎中验证了应力感测、自功能化及局部释药能力。
2025-10-21 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Solid-Liquid Transition of Deformable and Overlapping Active Particles
实验和理论表明，细胞单层和上皮组织表现出固-液和玻璃-液转变。这些转变在生物学上与我们对胚胎发育、伤口愈合和癌症的理解有关。目前的模型通常考虑纯二维单层，相邻细胞之间没有重叠。实际上，重叠是重要的，它们可能是细胞挤出的前体--维持上皮组织内稳态的关键生物物理过程。在这里，我们使用一个多相场模型来研究在一个汇合的单层可变形细胞，可以重叠的固-液转变。当细胞重叠，而不是变形，我们发现，熔化过渡从连续到不连续的变化，并有一个间歇性的制度接近过渡，固体和液体状态随着时间的推移交替。通过研究$5$ -和$7$ -折叠向错在由细胞中心形成的六方晶格中的动力学，我们观察到这些与细胞重叠中的空间波动相关，并且细胞挤出倾向于在$5$ -折叠向错附近开始。
2020-05-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Symmetry-protected phases in a 1D active solid with mechanochemical feedback
Indian Institute of Science（印度科学研究所）
研究通过机械化学自组织框架揭示了一维活性固体中丰富的对称保护相，通过幅值方程和群论分析发现压缩驱动振荡死亡的通用转变，为生物组织局部信号阻尼提供了物理基础。
2026-07-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.PS
Length scale of cellular activity determines signatures of epithelial remodeling
Indian Institute of Technology Hyderabad（印度理工学院海德拉巴分校）
该研究采用主动顶点模型，对比四种不同尺度的上皮活动模式，发现空间速度关联可区分各机制，为识别上皮活动物理起源提供实验可行手段。
2026-08-17 physics.bio-ph q-bio.CB
Self-organization drives symmetry-breaking, scaling, and critical growth transitions in stem cell-derived organoids
本研究结合定量成像、Turing模型与小鼠早期发育体外模型，揭示二维gastruloid中尺寸依赖的对称性破缺、幂律标度及临界双相生长机制。
2025-07-25 physics.bio-ph q-bio.TO
Beads, springs and fields: particle-based vs continuum models in cell biophysics
Institute of Science and Technology Austria（奥地利科学技术研究所）；Laboratoire Jean Perrin, CNRS/Sorbonne Université（让·佩兰实验室，法国国家科学研究中心/索邦大学）；Department of Physics, King’s College London（伦敦国王学院物理系）
本文比较了粒子模型和连续模型在细胞生物物理中的应用，探讨其在不同尺度上的优缺点及适用领域，旨在为研究者提供选择模型的框架和未来研究方向。
2026-04-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Simulating Organogenesis in COMSOL Multiphysics: Tissue Patterning with Directed Cell Migration
Swiss Institute of Bioinformatics（瑞士生物信息学研究所）
本文提出在COMSOL Multiphysics中实现连续模型，用于模拟定向细胞迁移，研究组织自我组织和形态发生过程。
2025-09-10 nlin.PS physics.bio-ph physics.comp-ph
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
Collective ballistic motion explains fast aggregation in adhesive active matter
本研究通过自对齐粘性颗粒的活性系统，发现集体弹道运动导致快速聚集，并提出了统一框架解释实验中的聚集指数，对组织形成具有重要意义。
2025-09-09 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Active Liquid Crystal Theory Explains the Collective Organization of Microtubules in Human Mitotic Spindles
针对人类有丝分裂纺锤体微管自组织机制不明的问题，研究者结合多尺度成像实验验证活性液晶粗粒化模型，证实该理论可定量描述纺锤体的力学行为与自组织，为测量其材料特性提供方法。
2025-07-29 physics.bio-ph
Aggregation dynamics of active cells on non-adhesive substrate
细胞自组装和组织是生物组织发育的基本步骤。在本文中，在一个元胞自动机模型的框架内，我们解决了如何从一个随机迁移的单细胞群体自发出现一个有序的组织模式，没有任何外部线索的影响。该模型基于细胞的主动运动性和它们由于如在实验中观察到的细胞-细胞内聚性而重组的能力。我们的模型成功地模拟了新生簇的形成，并预测了导致紧凑的组织结构的聚集体的时间演变。此外，模拟还捕捉到几个动态特性的增长聚集体，如细胞聚集的速度和非单调增长的聚集体面积，这与现有的实验观察显示出良好的协议。我们进一步调查的时间演化的内聚强度，和紧密性的聚集体，并研究的坚固性的增长结构，通过评估的分形维数，以深入了解肿瘤组织生长的复杂性，这是迄今为止尚未探索。
2019-02-06 cond-mat.soft nlin.CG physics.bio-ph
Fluctuations and differential contraction during regeneration of Hydra vulgaris tissue toroids
我们研究了再生双层组织环面解剖水螅息肉和我们的宏观观察力产生介观细胞骨架结构的动态。组织碎片经历特定的环形-球体折叠过程，导致朝向新生物体的完全再生。折叠的时间尺度对于生化信号或形态发生梯度来说太快了，这迫使我们假设纯粹的机械自组织。通过将环形嵌入水凝胶中来研究初始图案选择动力学，从而使我们能够在较长时间内观察变形模式。我们发现增加机械波动，打破了环形对称性，并讨论其功率谱的演变为各种凝胶硬度。我们的观察结果与单细胞研究有关，这些研究解释了折叠过程的机械可行性。此外，我们还观察到细胞在折叠失败以及组织损伤后从组织结合状态转换为迁移状态。我们发现了一个超细胞肌动蛋白环组装沿环形的内边缘。它的收缩可以导致观察到的折叠动力学，我们可以通过有限元模拟证实。内细胞层中的肌动蛋白环由外细胞层中超细胞α-肌动蛋白结构（肌丝）的肌球蛋白驱动的长度波动组装而成。
2012-11-30 physics.bio-ph q-bio.TO
Enhanced persistence and collective migration in cooperatively aligning cell clusters
大多数细胞都具有迁移的能力。单独或集体，这使他们能够适应，重新安排，并探索他们的周围环境。这种能动过程的生物物理特性，在健康和疾病，到目前为止主要集中在两个限制的情况下：单细胞的运动，一方面，和汇合组织的动态，如上皮细胞的其他。由相对较少的细胞组成，作为一个连贯的单位移动的集群之间的制度受到较少的关注。然而，这种小簇与发育以及癌症转移密切相关。在这项工作中，我们使用细胞Potts模型和分析活性物质理论来了解小细胞簇的运动性如何随N（簇中细胞的数量）而变化。模型和理论揭示了我们的两个主要发现：团簇的持续时间随N的增加而增加，而内禀扩散率随N的减少。我们讨论了一些设置中，更复杂的集群的能动性可以分析理解，揭示了小规模的合作和细胞-细胞对齐的聚焦效应可以克服多细胞集群的体积增大和内部紊乱，以提高整体迁移效率。我们证明了这种增强的小集群集体durotaxis，这被证明比单细胞更有效地进行。我们的研究结果可能会提供一些新的见解单细胞和大规模的集体运动之间的联系，并可能指出的方式，小肿瘤细胞簇的转移潜力增强的生物物理起源。
2020-09-01 physics.bio-ph
Distinguishing Cell Phenotype Using Cell Epigenotype
Northwestern Institute on Complex Systems（西北复杂系统研究所）；Chicago Region Physical Sciences-Oncology Center（芝加哥地区物理科学肿瘤学中心）；Northwestern University（西北大学）
微观观察和宏观行为之间的关系是生物物理系统中一个基本的开放问题。在这里，我们开发了一种统一的方法，与现有的方法相比，即使考虑到人体组织多样性的规模和可用数据的局限性，也可以从大分子数据中预测细胞类型。我们实现这些好处后，我们的数据投影到相关矩阵的特征向量推断从许多观察基因表达或染色质构象的应用k-近邻算法。我们的方法确定了影响细胞类型的表观基因型的变化，从而支持细胞类型吸引子假说，并代表了生物系统中模型独立控制策略的第一步。
2020-03-20 cs.LG physics.bio-ph q-bio.CB
Segmentation of dense and multi-species bacterial colonies using models trained on synthetic microscopy images
针对细菌菌落分割难题，提出利用合成显微镜图像训练机器学习模型，实现密集单物种和多物种菌落的高保真单细胞分割，为定量研究细菌自组织提供新方法。
2024-07-18 physics.bio-ph physics.med-ph
Cell proliferation maintains cell area polydispersity in the growing fruit fly wing epithelium
Max Planck Institute for Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Center for Systems Biology（系统生物学中心）；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）；Cluster of Excellence, Physics of Life, TU-Dresden（德累斯顿工业大学生命物理卓越集群）；Mechanobiology Institute, National University of Singapore（新加坡国立大学机械生物学研究所）；Biomedical Engineering Department, National University of Singapore（新加坡国立大学生物医学工程系）；Ruđer Bošković Institute（鲁杰尔·博什科维奇研究所）
研究果蝇翅膀盘上皮组织，发现细胞增殖是细胞面积变异的主要来源，通过模型揭示细胞增殖对组织机械性能的影响。
2026-01-20 physics.bio-ph q-bio.CB
The Small World of Osteocytes: Connectomics of the Lacuno-Canalicular Network in Bone
骨细胞和它们的细胞突起存在于一个大的、相互连接的空隙网络中，遍布于大多数脊椎动物的矿化骨基质中。这种骨细胞腔隙-小管网络（OLCN）被认为在机械传感、矿物质稳态和骨的机械性能中起重要作用。虽然骨的细胞外基质结构在超微结构和宏观尺度上被广泛研究，但缺乏关于细胞网络如何组织的定量知识。使用最近推出的成像和定量方法，我们分析了OLCN在不同的骨类型的小鼠和绵羊，表现出不同程度的结构组织，不仅是细胞网络，但也由细胞沉积的纤维基质。我们定义了许多源自复杂网络理论的稳健的定量度量。这些措施使我们能够深入了解如何有效的网络组织方面的细胞间的运输和通信。我们的分析表明，与来自小鼠的不规则和快速生长的骨组织相比，来自绵羊的规则组织，缓慢生长的骨组织中的细胞网络连接较少，但组织更有效。在统计拓扑特性（每个节点的边，边长和度分布）的水平上，两种网络类型是不可区分的，突出表明，尽管在组织水平上存在明显差异，但在亚细胞水平上骨细胞小管网络的拓扑结构可能与物种和骨类型无关。我们的研究结果表明，在骨形成和矿化过程中，单个细胞自组织成一个大的、相互连接的网络是一种普遍的机制。
2017-02-14 physics.bio-ph q-bio.TO
AI-powered simulation-based inference of a genuinely spatial-stochastic model of early mouse embryogenesis
本研究构建小鼠早期胚胎ICM分化的多尺度空间-随机模型，结合AI驱动的SNPE算法与SBI开展贝叶斯推断，揭示FGF4反馈调控细胞随机基因表达形成稳定组织模式的机制，发现初始条件高变异性可提升组织动力学精度。
2024-03-13 physics.bio-ph q-bio.QM
Zipf's Law in Gene Expression
使用来自各种生物和组织的基因表达数据库的数据，包括酵母、线虫、人类正常和癌组织以及胚胎干细胞，我们发现表达基因的丰度呈现指数接近-1的幂律分布，即，他们遵守齐普夫定律。此外，通过对具有细胞内反应网络的简单模型的模拟，我们发现Zipf化学丰度定律是细胞的普遍特征，这种网络优化了自我繁殖的效率和忠诚度。这些发现为活细胞中反应动力学的组织性质提供了新的见解。
2002-09-30 cond-mat.dis-nn nlin.AO physics.bio-ph
