Epithelial Tissue Growth Dynamics: Universal or Not?
生长中的上皮组织界面粗糙度的普遍性一直是一个有争议的问题。Kardar-Parisi-Zhang（KPZ）和分子束外延（MBE）普适性类已被报道，包括完全缺乏普适性。在这里，我们利用可变形细胞的动力学分裂模型来研究细胞集落缩放。通过看似微小的模型变化，它可以在模拟相应实验的配置中再现KPZ和MBE样缩放。这一结果抵消了明显的缩放争议。可以推测，这种生长行为的多样性有利于有效的进化和多样化的生长动力学。
2022-03-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Interplay of damage and repair in the control of epithelial tissue integrity in response to cyclic loading
本综述探讨循环加载下上皮组织损伤与修复的时间尺度相互作用，强调修复机制可逆转损伤，为理解软组织稳态提供新视角。
2024-12-17 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Role of Substrate Stiffness in Tissue Spreading: Wetting Transition and Tissue Durotaxis
活组织经历润湿转变：在表面上，它们可以形成液滴状细胞聚集体或作为迁移细胞的单层扩散。组织润湿性不仅取决于基质的化学性质，还取决于基质的机械性质。在这里，我们研究了基板刚度在组织扩散中的作用，我们通过一个积极的极性流体模型来描述。考虑到细胞施加更大的主动牵引力，更硬的基板上，我们预测组织润湿过渡在一个临界基板刚度，随着组织的大小而减少。在具有刚度梯度的基底上，我们发现组织在较硬的一侧上传播得更快。此外，我们表明，组织可以润湿的基板上的刚性侧，而从软侧去湿。我们还表明，通过跨组织传输的粘性力，较硬侧接口可以短暂地拖动软侧接口朝向增加刚度，对它的蔓延趋势。这两种效应导致组织沿刚度梯度向上定向迁移。因此，这种现象--组织硬旋转--可以从软侧的去湿和组织界面之间的流体动力学相互作用中出现。总的来说，我们的工作揭示了基质硬度影响活组织的集体迁移和主动润湿特性的机制，这些特性与发育，再生和癌症有关。
2020-05-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Effect of substrate heterogeneity and topology on epithelial tissue growth dynamics
组织生长动力学和界面动力学取决于组织环境和细胞-细胞相互作用的性质。在细胞环境中，底物异质性和几何形状由多种因素引起，例如细胞外基质的结构和营养物浓度。我们使用的CellSim 3D模型，一个动力学分裂模拟器，研究的生长动力学和界面粗糙度动态上皮组织生长的异质衬底上具有不同的拓扑结构。结果表明，淬火无序的存在对运动界面区的界面团形貌和粗糙度尺度有明显的影响。在淬火无序介质中，组织界面具有较小的界面粗糙度指数$α$和较大的生长指数$β$。标度指数还取决于衬底的拓扑结构，并且不能通过公知的普适性类来分类。
2023-03-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
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
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
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
Necking of epithelial tissues with cellular topological transition
Zhejiang University（浙江大学）；Westlake University（西湖大学）
本研究通过多尺度模型和顶点模拟，揭示了上皮组织在细胞拓扑转换中出现颈缩现象的机制，发现拓扑缺陷对颈缩分叉和传播的影响。
2025-12-26 physics.bio-ph
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
Cell-level modelling of homeostasis in confined epithelial monolayers
本研究利用顶点模型探究受限上皮组织稳态，发现细胞分裂与清除平衡维持动态稳态，明确调控有序生长的因素，揭示稳态机制并强调力学的重要性。
2025-01-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
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
Collective cell migration of epithelial cells driven by chiral torque generation
各种多细胞组织显示手性形态。实验研究表明，这可能源于细胞手性。然而，还没有理论被提出来连接细胞手性扭矩和多细胞手性形态发生。我们提出了一个融合的组织动力学与细胞手征扭矩模型。我们发现，细胞迁移的细胞手性扭矩的梯度下单向。虽然迁移速度取决于组织的机械参数而变化，但它仅由融合组织中液体到固体转变的结构序参量缩放。
2019-09-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Morphology of Proliferating Epithelial Cellular Tissue
我们使用新开发的细胞机械分裂的数值模拟模型研究增殖细胞组织的形态。该模型通过选择性分裂和分裂平面方向的简单规则再现了简单多细胞生物的结构。该模型被应用到一个双峰的混合物的硬细胞具有低的增长潜力和软细胞具有高的增长潜力。在均匀的混合物中，软细胞发育成组织基质，硬细胞发育成树突状网络结构。对于硬细胞基质中的软细胞内含物，软细胞发育为快速生长的肿瘤样结构，其逐渐排空硬细胞基质。随着细胞间摩擦力的增加，肿瘤的生长速度减慢，部分肿瘤被驱动到自我造成的细胞死亡。
2018-11-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Tension Remodeling Controls Topological Transitions in Epithelial Tissues
本研究提出动态顶点模型，通过应变依赖性张力重塑和机械记忆耗散调控细胞重排，解释并控制上皮组织中的多细胞玫瑰花结形成与拓扑转变。
2023-10-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechano-chemical active feedback generates convergence extension in epithelial tissue
会聚延伸，即组织沿一个轴同时伸长，同时沿垂直轴变窄，发生在胚胎发育期间。一个基本的过程，有助于塑造有机体，它发生在许多不同的物种和组织类型。在这里，我们提出了一个最小的连续模型，可以直接连接到控制微观生物化学，这表明自发收敛扩展。它由具有机械化学活性反馈机制的2D粘弹性活性材料通过摩擦耦合到基底。强大的收敛扩展行为出现超过一个临界值的活动参数和控制的边界条件和耦合到基板。当内部耗散超过摩擦以及处于主动弹性限度时，该模型中就会出现振动和空间模式。
2023-03-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
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
Linear Viscoelastic Properties of the Vertex Model for Epithelial Tissues
上皮组织充当屏障，因此必须自我修复，对环境变化做出反应，并在不损害其完整性的情况下生长。因此，它们表现出复杂的粘弹性流变行为，其中组成细胞主动调节它们的机械特性以改变组织的整体响应，例如，从固态到液态上皮细胞的细观力学特性通常采用顶点模型来模拟。虽然以前的研究主要集中在长时间尺度上的顶点模型的流变特性，我们系统地研究了全动态范围，通过应用小振荡剪切和体积变形在两个固体和类流体相的规则六边形和无序的细胞配置。我们发现，在流体和固体相的剪切和体积响应可以描述标准的弹簧阻尼粘弹性模型。此外，可以通过对系统施加预变形来调谐固体-流体转变。我们的研究提供了深入了解上皮细胞可以调节其丰富的流变行为的机制。
2022-01-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Role of tissue fluidization and topological defects in epithelial tubulogenesis
本研究通过极化细胞相互作用的最小模型，探究细胞极性、黏附等特性及组织流化、拓扑缺陷在上皮小管发生中的作用，揭示了集体迁移与结构重排的切换是平衡组织形态维持与拓扑转变的关键。
2024-03-08 physics.bio-ph
Topological Floppy Modes in Epithelial Tissues
拓扑力学的最新进展揭示了不寻常的现象，例如拓扑保护的松软模式和指数局部化在机械网络边界和界面上的自应力状态。在本文中，我们探讨了上皮组织的拓扑力学，这些边界和界面模式的出现可能会导致局部软或应力点，并在形态发生中发挥作用。我们考虑一个简单的顶点模型（VM）所管辖的有效弹性能量和其推广的主动张力网络（ATN），其中包括积极适应的细胞骨架。通过分析空间周期晶格在麦克斯韦点的机械不稳定性，我们发现拓扑极化阶段与指数本地化的松弛模式和状态的自应力的ATN时，细胞被允许成为凹，但不是在VM。
2021-04-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Epithelial Tissues from the Bottom-Up: Contact Inhibition, Wound Healing, and Force Networks
本文提出一个计算模型，整合细胞可变形性、片状伪足动力学、粘附和运动接触抑制（CIL），揭示了CIL通过减少密度涨落抑制稳态运动但加速伤口愈合，并稳定拉伸状态以形成力链。
2024-09-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Epithelial layer fluidization by curvature-induced unjamming
本文利用球面顶点模型研究表面曲率对上皮失卡阻转变的影响，发现曲率增加可降低细胞重排能垒，促进细胞嵌入与迁移，使小尺寸上皮更具可塑性，而生长后趋于刚性，为理解组织重塑与稳定提供了概念框架。
2025-03-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Covariant Active Hydrodynamics of Shape-Changing Epithelial Monolayers
在胚胎发育的早期阶段，形态发生-生物体中形状和形式的出现-几乎完全与单层紧密结合的上皮细胞有关。为了理解这些组织如何改变它们的形状，我们构建了一个完全协变的主动流体动力学理论。在细胞尺度上，应力来自于顶端收缩、机械响应和恒定细胞体积的约束。由于这种细胞自主应力与低雷诺数嵌入流体的位移和剪切之间的平衡，出现组织尺度的变形。可以描述具有任意曲率或形状的组织，为上皮单层形态提供一般框架。平面单分子膜的稳定性分析揭示了两种通用的形状不稳定性：被动约束屈曲，和主动驱动的组织变形。活动性不稳定性可进一步分为两种类型，对应于细胞形状的变化，即“鳞状到柱状”或“规则棱柱到截棱锥”。从后者产生的变形定性再现中胚层和后中肠内陷，这发生在果蝇果蝇的原肠胚形成过程中的发病在体内观察。
2017-12-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
(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
Morphologies of compressed active epithelial monolayers
使用一个三维的活动顶点模型，我们数值研究的形状紧张的无支撑的上皮细胞单层受到主动连接噪声由于随机绑定和解除绑定的肌球蛋白。我们发现，虽然单轴、双轴和各向同性的面内压缩应变确实分别导致纵向、人字形和锯齿状褶皱的形成，但绒毛形态特征，例如，只有当连接张力波动强到足以覆盖组织时，小肠才会出现。此外，即使在没有压缩应变的情况下，如果顶-底张力差足够大，流化上皮也具有绒毛特征。我们分析了几个细节的不同的上皮形式，包括应变率的作用和跨褶皱的组织厚度的调制。我们的研究结果表明，非平凡的形态，甚至可以在无支撑的，非图案化的上皮细胞形成。
2021-02-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Spatial fluctuations at vertices of epithelial layers: quantification of regulation by Rho pathway
在活体中，肌动蛋白-肌球蛋白诱导的形状波动通常通过重构凝胶在体外进行研究，其性质通过改变肌动蛋白、肌球蛋白和交联剂的浓度来控制。这种方法故意避免考虑生命系统固有的生化信号的复杂性。活细胞内的肌动球蛋白活性主要受Rho信号通路的调节，该通路由多层偶联的激活剂和抑制剂组成。我们研究这样的途径如何控制融合上皮组织的动态跟踪细胞之间的连接点的位移。使用唯象模型来分析顶点波动，我们合理化的影响，不同的Rho信号的目标上涌现的组织活动通过量化的有效扩散系数，持续时间和持续长度的波动。我们的研究结果揭示了组织内激活/抑制层与空间波动之间的意外相关性。总体而言，这项工作通过生物化学信号与介观空间波动的调节连接，具有潜在的应用于上皮组织结构重排的研究。
2018-02-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Emergent epithelial elasticity governed by interfacial surface mechanics and substrate interaction
本文推导了上皮组织的弹性理论，揭示了界面张力与基底作用主导的弹性失稳及褶皱行为，并解释了经典理论无法说明的厚度调制相位反转现象。
2025-04-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Elastic Modulus Versus Cell Packing Density in MDCK Epithelial Monolayers
该研究通过微压痕系统在多细胞尺度表征MDCK上皮单层细胞，发现其弹性模量在低密度汇合时随细胞密度升高而降低，高密度下趋于平稳，为理解组织集体行为提供力学依据。
2024-12-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Cell divisions imprint long lasting elastic strain fields in epithelial tissues
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 for 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）；Excellence Cluster, Physics of Life, Technische Universität Dresden（德累斯顿工业大学生命物理卓越集群）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）
研究通过分析果蝇上皮组织的应变场，揭示了细胞分裂产生的力偶对组织力学的影响，并确定了组织流体化的时间尺度。
2025-07-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Contact inhibition of locomotion and junctional mechanics guide collective cell behavior in epithelial wound repair
上皮组织形成针对外部环境的物理整合屏障，保护器官免受感染和侵袭。在每个组织内，上皮细胞对可能损害组织完整性的不同挑战做出反应。特别是，细胞通过重组它们的细胞-细胞连接并向损伤部位定向迁移来集体响应。尽管如此，定义这些集体反应的时空尺度和驱动力的机制仍然知之甚少。为了解决这个问题，我们首先分析了上皮细胞单层对损伤的集体反应，并将结果与上皮细胞的不同计算模型进行比较。我们发现，整合细胞-细胞和细胞-基质界面处的细胞力学以及运动的接触抑制的模型预测了上皮对损伤的反应的两个关键特性：1）组织的局部松弛和2）涉及细胞伸长的集体反应（基底和顶端区域）和从损伤部位延伸至< 3个细胞直径的隐蔽板状伪足的延伸。因此，我们的研究结果突出了连接生物力学，细胞基质粘附和运动的接触抑制之间的整合，以指导快速集体重排，需要保护上皮屏障，以应对损伤。
2017-02-06 physics.bio-ph q-bio.CB
Propagating stress waves during epithelial expansion
上皮创伤愈合和组织形态发生过程中细胞单层的协调运动涉及机械应力的产生。在这里，我们提出了一个模型的上皮细胞扩张的动力学，耦合机械变形的组织收缩活动和极化的细胞。我们的模型的一个新的成分是局部应变，极化和收缩性，自然产生的粘弹性和有效的惯性在细胞单层的机制之间的反馈。使用分析和数值技术的组合，我们证明了我们的模型定量再现了许多实验结果[Nat. Phys. 8，628（2012）]，包括细胞间应力的积累，以及引导振荡单层膨胀的行进机械波的存在。
2015-03-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
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
Mechanical state, material properties and continuous description of an epithelial tissue
在发育过程中，上皮组织经历基于细胞形状和位置随时间的协调变化的广泛形态发生。连续介质力学描述了组织的力学状态和形状变化的应变和应力。它只使用几个空间平均的材料参数来解释单个细胞的特性。为了确定在果蝇蛹背胸上皮的机械状态和参数，我们切断在体内的盘状域周围的adherens连接，通常包括数百个细胞。这使得能够一次直接测量沿不同方向的应变。在发育过程中，应变的振幅和各向异性增大。我们还测量了应力粘度比，同样发现振幅和各向异性增加。弛豫时间为10秒量级。我们提出了一个时空，连续模型的松弛。与实验数据的良好一致性验证了作为一个连续的，线性的，粘弹性材料的上皮域的描述。我们讨论了相关的时间和长度尺度。另一个材料参数，外摩擦与内粘度的比值，估计通过拟合的初始速度分布。总之，我们的研究结果有助于量化力和位移，以及它们在形态发生过程中的时间演变。
2012-05-11 physics.bio-ph q-bio.CB
Jamming and force distribution in growing epithelial tissue
我们使用一个新开发的数值模拟模型，在2D的机械细胞分裂和迁移的增殖细胞组织的形态。该模型适用于由具有低生长潜力的硬细胞和具有高生长潜力的软细胞组成的双峰混合物;癌细胞通常被认为比健康细胞更软。在均匀的混合物中，软细胞发育成组织基质，硬细胞发育成树突状网络结构。当软细胞被放置在由硬细胞组成的组织内（以模拟癌症生长）时，软细胞发育为快速生长的肿瘤样结构，逐渐排空硬细胞基质。该模型还证明了1）软细胞如何在最大有效刚度的方向上定向自身，如由Bischofs和Schwarz的理论（Proc. Natl. Acad.美国科学，100，9274- 9279（2003）和2）取向和力的产生在软-硬界面后面的几个单元行继续。随着细胞间摩擦力的增加，肿瘤生长减慢并发生细胞死亡。细胞之间的接触力分布被证明是高度敏感的细胞类型的混合物和细胞间的相互作用，这表明，局部机械力可以是有用的组织形成的调节器。结果揭示了新的光建立的实验数据。
2020-05-04 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Active wetting transition in cell aggregates
Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学）；Institute of Complex Systems (UBICS)（复杂系统研究所）；Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）；Cluster of Excellence Physics of Life, TU Dresden（德累斯顿工业大学生命物理学卓越集群）；Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA)（加泰罗尼亚研究高级机构）
该研究将细胞聚集体建模为主动极性液滴，通过主动杨氏-杜普雷方程揭示了组织主动润湿转变的机制，解释了实验中常见的部分润湿状态。
2026-09-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Energy injection in an epithelial cell monolayer indicated by negative viscosity
University of Wisconsin–Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
针对上皮组织中力与运动难以关联、能量注入耗散来源不明的问题，本研究开发有效黏度测量方法，发现负有效黏度区域对应高细胞活性与能量需求，可用于量化生命物质能量流动。
2025-11-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Measurement of tissue viscosity to relate force and motion in collective cell migration
University of Wisconsin–Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本研究通过实验测量组织粘性，揭示了力与运动的关系，并展示了组织微观结构与材料属性之间的直接联系。
2025-12-16 physics.bio-ph q-bio.CB
Inferring the flow properties of epithelial tissues from their geometry
非晶材料具有复杂的材料性质和强非线性行为。在屈服应力以下，它们表现为塑性固体，而在临界应力$Σ_c$以上，它们开始屈服。然而，控制塑性的关键量是难以测量的薄弱点的密度$P(x)$，其中$x$是局部塑性破坏所需的附加应力。在热力学极限下，在低于屈服应力$Σ_c$的固相中，$P(x)\sim x^θ$在$x= 0$处是奇异的。这种奇异性与塑性事件的系统Spannig雪崩的存在有关。在这里，我们解决的问题，如果薄弱点的密度和材料的流动性能可以确定从一个非晶结构的几何形状单独。我们表明，一个顶点模型的细胞包装组织表现出塑料无定形系统的现象。当从上面接近屈服应力时，应变速率为零，并且雪崩的大小$S$和它们的持续时间$τ$发散。然后，我们表明，在一般情况下，在材料中的能量泛函依赖于拓扑结构，值$x$是成比例的长度$L$的键消失在一个塑料事件。因此，对于这类模型，$P(x)$很容易仅从几何形状测量。应用这种方法来量化的细胞包装的几何形状在发展中的翅膀上皮的果蝇，我们发现，在这个组织$P(L)$表现出幂律指数类似的顶点模型在其固相的数值。这表明，这种组织表现出可塑性和非线性的材料特性，从集体细胞行为出现，这些材料特性支配发育过程。我们的方法的基础上的拓扑结构和能量之间的关系，提出了一个新的路线与屈服过渡的悬而未决的问题。
2020-05-05 cond-mat.soft physics.bio-ph
Why Extensile and Contractile Tissues Could be Hard to Tell Apart
University of Oxford（牛津大学）；University of Ljubljana（卢布尔雅那大学）；Indian Institute of Technology, Madras（马德拉斯印度理工学院）
本文用双张量序参量连续介质理论证明仅靠细胞形状与流动的关联无法区分主动应力是拉伸型还是收缩型，强调需同时测量应力与细胞形状才能解释上皮组织中的物理力性质。
2025-11-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
Full Three-dimensional Cell Geometry Matters for Epithelial Fluidization
Jožef Stefan Institute（约瑟夫·斯特凡研究所）；University of Ljubljana, Faculty of Mathematics and Physics（卢布尔雅那大学数学物理学院）
该研究揭示三维细胞几何形态对上皮组织流化的关键作用，发现传统二维模型缺失的三种效应，为上皮组织动态过程研究提供更准确的三维视角。
2026-10-15 physics.bio-ph
VertAX: a differentiable vertex model for learning epithelial tissue mechanics
Center for Interdisciplinary Research in Biology (CIRB), Collège de France, Université PSL, CNRS, INSERM（跨学科生物学研究中心（CIRB），法兰西公学院，巴黎文理研究大学，法国国家科学研究中心，法国国家健康与医学研究院）；Center for Integrative Biology (CBI), University of Toulouse, CNRS（整合生物学中心（CBI），图卢兹大学，法国国家科学研究中心）；Center for Life Nano & Neuro Science, IIT（生命纳米与神经科学中心，意大利技术研究院）；Institute of Heritage Science, CNR（遗产科学研究所，意大利国家研究委员会）；Department of Physics, Università Sapienza（物理系，罗马大学）；Google DeepMind（谷歌DeepMind）
VertAX是一种基于JAX的可微顶点模型框架，用于学习上皮组织力学，支持端到端优化和逆向设计，适用于组织形态生成、参数推断和逆向设计任务。
2026-04-08 cs.LG cs.SE physics.bio-ph
Viscous vertex model for active epithelial tissues
Guangdong Provincial Key Laboratory of Magnetoelectric Physics and Devices, School of Physics, Sun Yat-sen University（中山大学物理学院）；Interdisciplinary Research Center for Physical Mechanics in Complex Systems and Its Engineering Applications, School of Physics, Sun Yat-sen University（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）；Aix Marseille Univ, Université de Toulon, CPT (UMR 7332), Turing Centre for Living Systems（艾克斯-马赛大学）；Aix Marseille Univ, CNRS, LAI (UMR 7333), Turing Centre for Living Systems（艾克斯-马赛大学）
本文提出一种旋转对称的黏性顶点模型，用于描述细胞的皮层和体积耗散。通过拉格朗日乘数实现无基质摩擦极限，并引入层剪切流变协议提取有效组织剪切黏度，研究活动对细胞形状纹理和拓扑缺陷的影响。
2026-03-30 physics.bio-ph
Softness, anomalous dynamics, and fractal-like energy landscape in model cell tissues
上皮细胞组织具有类似于过冷液体的缓慢弛豫动力学。然而，它们也有各自的特点。这些包括一个扩展的短时间子扩散瞬态，在一些实验和最近的研究模型系统中观察到的，和一个子Arrhenius依赖的弛豫时间对温度的数值研究报告。在这里，我们表明，上皮组织的异常玻璃态动力学起源于一个分形的能量景观的出现，粒子变得几乎自由地扩散在特定的相空间方向到一个小的距离。此外，我们澄清，刚度的细胞调谐这种异常的行为，组织的刚性细胞具有传统的玻璃态松弛动力学。
2021-01-22 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Dynamics of Wound Closure in Living Nematic Epithelia
University of Bristol（布里斯托大学）；National University of Singapore（新加坡国立大学）；Isaac Newton Institute for Mathematical Sciences（艾萨克·牛顿数学科学研究所）
研究活体非易变上皮层伤口闭合的动力学，发现活性应力的收缩性加速闭合，伸展性则减缓闭合，并揭示拓扑缺陷在闭合过程中的作用。
2026-02-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Tissue fluidization by cell-shape-controlled active stresses
生物细胞可以根据其整体形状主动调整其细胞内结构。在这里，我们探讨这种耦合在一个极小模型的致密细胞材料，每个细胞施加一个积极的机械应力沿其轴的伸长的流变学含义。增加主动应力幅值导致几个转变。最初的六边形晶体图案首先被去稳定化成具有各向异性单元的固体。进一步增加活动，我们发现一个重入过渡到一个政权与有限的六角形秩序和有限的剪切模量，其中细胞安排根据一个菱形图案与周期性排列的玫瑰花结结构。剪切模量在第三阈值再次消失，超过第三阈值，自发组织流动出现。在这最后一个政权，我们观察到的细胞形状图案的出现称为拓扑缺陷，与周围的缺陷同意在上皮组织实验中观察到的流动和应力场。我们进一步提供了一个可测试的预测拓扑缺陷附近的细胞-细胞重排热点。总的来说，我们的工作连接了在各种类型的上皮组织中观察到的看似不同的特征-例如，结节和拓扑缺陷。
2022-04-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
A phenomenological multiscale framework for orientational interactions and viscoelasticity in migrating epithelial monolayers
University of Belgrade, Faculty of Technology and Metallurgy（贝尔格莱德大学技术与冶金学院）；Lancaster University（兰开夏大学）
该研究提出唯象力学生物学框架，连接细胞尺度取向相互作用与组织尺度力学，区分可逆和不可逆碰撞，通过能量存储与耗散平衡控制集体迁移等过程，还用量化方法揭示其与细胞密度关系，解释相关动力学与流变学联系。
2026-07-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Rheology of 2D vertex model
该研究采用解析粗粒化连续介质公式，理论探究二维上皮组织顶点模型的流变特性，揭示其剪切变稀等流变规律及振荡基底支撑下的取向变化与三临界点特征。
2023-12-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
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
