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
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
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
Coarse-graining the vertex model and its response to shear
本文通过泊松括号方法对顶点模型进行粗粒化，推导出二维细胞单层的宏观方程，研究其稳态、稳定性及剪切响应，揭示了流动与细胞形状的相互作用。
2023-02-08 cond-mat.soft 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
New tissue engineered scaffolds for rotator cuff tendon-bone interface regeneration
针对肩袖肌腱-骨界面损伤术后难愈合、易再撕裂的问题，本综述系统梳理组织工程技术在该领域的最新进展，重点介绍新型支架的作用与潜力，为临床与研究提供参考。
2025-06-13 q-bio.TO
Tumor microenvironment (Part I): Tissue integrity in a rat model of peripheral neural cancer
本研究通过Copenhagen大鼠坐骨神经AT-1肿瘤模型，观察ICAM-1与MPZ在7、14、21天的表达变化，揭示二者在周围神经组织完整性维持及肿瘤性神经损伤中的作用。
2025-03-15 q-bio.TO
Universal statistics of epithelial tissue topology
形成各种上皮组织的细胞具有其边缘数量的惊人的普遍分布。一般认为，这种拓扑特征是由生长组织中的个体细胞分裂的统计数据预先定义的，但现有的理论模型无法预测所观察到的分布。在这里，我们表明实验，以及在模拟中，细胞分裂的概率呈指数增加的分裂细胞的边缘的数量和分析表明，这是负责观察到的形状的细胞边缘分布。
2017-10-23 physics.bio-ph q-bio.TO
Lattice and Continuum Modelling of a Bioactive Porous Tissue Scaffold
当代人工组织生长的方法是将细胞接种到多孔生物材料支架上，并在灌注生物反应器中培养，以促进营养物质向生长细胞的运输。用于组织工程应用的典型细胞生长模型利用空间均质或空间连续方程来模拟细胞生长、培养基流动、营养物运输及其相互作用。物理多孔支架的网络结构通常通过这些模型中的参数来并入，无论是现象学上的还是通过数学均匀化等技术。我们推导出一个正方形网格晶格上的模型，以证明明确建模的多孔支架的网络结构的重要性，并比较结果从这个模型与那些从文献中的修改后的连续模型。我们通过允许细胞阻塞孔隙，并通过允许流体的剪切应力影响细胞生长和死亡，来捕获细胞生长和流体流动之间的双向耦合。我们探索了一系列的参数，这两种模型，并证明定量和定性的差异，从这些方法，包括空间模式的形成和局部振荡的细胞密度只存在于晶格模型的预测。这些差异表明，对于某些参数制度，对应于特定的细胞类型和支架的几何形状，晶格模型给出了定性不同的模型预测比典型的连续模型。我们的研究结果为生物活性多孔组织支架的模型选择提供了信息，有助于成功的组织工程实验和最终临床成功技术的发展。
2018-04-29 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
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
Fluidization in Growth-Induced Morphogenesis
Worcester Polytechnic Institute（伍斯特理工学院）
本文提出流化生长-弹性模型，揭示组织流变性在压缩下促进对称性破缺并调节应力，使形态发生连续发展，并控制从平滑起伏到局部凹陷的流动模式。
2026-09-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Two-dimension tissue growth model based on circular granular cells for cells with small overlap
组织生长可以在二维中建模，仅使用圆形颗粒细胞，它可以生长并产生子。线性弹簧-阻尼器模型用于约束细胞，其截止相互作用范围为相互作用细胞半径之和的1.1倍。由于细胞生长阶段和细胞位置的重新排列，模拟步骤必须分为显式和隐式。这种划分旨在避免模拟问题。仅在显式步骤中执行时间更改。选择大细胞重叠作为组织生长的终止条件。只有某些单元格配置可以无限增长而不会遇到大单元格重叠。这些配置，和其他也，在这项工作中提出。模拟时间$t$随着单元数$N$的增加而增加，这是由于两个单元之间的交互数增加。对于大的$N$，线性和网络结构倾向于与不同的渐近函数对齐，其将$N$和$t$联系起来。
2014-05-20 physics.bio-ph q-bio.TO
Morphological instability of an invasive active-passive interface
School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University（哈佛大学生物工程与应用科学学院）；Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院机械工程系）；Department of Physics, Harvard University（哈佛大学物理系）；Department of Organismic and Evolutionary Biology, Harvard University（哈佛大学生物与进化生物学系）
研究揭示了侵入性活性-被动界面的形态不稳定性机制，并通过理论模型和模拟验证了其控制可能性。
2026-02-10 cond-mat.soft 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
High-throughput design of cultured tissue moulds using a biophysical model
本文提出一种基于生物物理模型的高通量模具设计方法，通过模拟细胞-基质相互作用和组织尺度力，识别出能促进高度细胞排列的系绳模具设计，为培养组织应用提供概念验证。
2023-06-23 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.TO
An optimization based 3D-1D coupling strategy for tissue perfusion and chemical transport during tumor-induced angiogenesis
提出了一种新的数学模型和数值方法，用于在肿瘤诱导的血管生成的背景下模拟生长的毛细血管网络和周围组织之间的流体和化学交换。由于适当的建模假设，毛细管减少到其中心线：一个良好的数学模型，从而制定了基于三维和一维方程之间的耦合（3D-1D耦合问题）。此外，应用偏微分方程约束的优化配方在这里提出的第一次血管生成模拟。在这种方法下，不需要网格一致性，因此使该方法特别适合于这种应用，因为随着毛细网络的增长，不需要重新划分网格。为了处理感兴趣的量的演变和几何形状的变化，采用离散混合策略，将组织和化学物质的连续建模与离散尖端跟踪模型相结合，以考虑血管网络的生长。尖端跟踪策略，加上一些适当的规则的分支和吻合，是能够提供一个现实的毛细血管网络的代表。
2022-11-17 cs.NA math.NA q-bio.TO
Angiogenic Factors produced by Hypoxic Cells are a leading driver of Anastomoses in Sprouting Angiogenesis---a computational study
血管生成-从预先存在的血管系统生长新血管-在生理过程和几种病理情况下都是关键，如癌症进展或糖尿病视网膜病变。为了使新的血管网络发挥功能，需要生长的芽与现有的功能成熟的血管或与另一个生长的芽融合。这个过程称为吻合。我们提出了一个系统的二维和三维计算研究血管生长的组织，以解决血管生成因子梯度的能力，以推动吻合口的形成。我们认为这些生长因子仅由缺氧的组织细胞产生，即直到附近的血管合并并能够携带血液并冲洗其附近。我们证明，这种增加生产的血管生成因子的缺氧细胞是能够促进血管闭塞事件在2D和3D。模拟还验证了这些网络的形态对内皮细胞增殖和趋化反应的变化具有增加的弹性。组织细胞的分布和它们产生的生长因子的浓度是决定网络最终形态的主要因素。
2018-06-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
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
Synplex: A synthetic simulator of highly multiplexed histological images
IDISNA（纳瓦拉健康研究所）；Ciberonc（西班牙生物医学研究网络中心（癌症））；Center for Applied Medical Research, University of Navarra（纳瓦拉大学应用医学研究中心）
多重组织免疫染色是一种日益相关的技术，因为它可以原位捕获肿瘤微环境元素之间存在的复杂相互作用。大型带注释的图像数据集的存在和可用性是生物图像分析算法的客观发展和基准测试的关键。然而，多重图像的手动注释是费力的，通常是不切实际的。在本文中，我们提出了Synplex，一个模拟系统，能够产生多重免疫染色的原位组织图像的基础上，用户定义的参数。这包括结构属性的规范，例如细胞表型的数量、细胞标志物的表达数量和水平或细胞形态。Synplex由三个连续的模块组成，每个模块负责一个单独的任务：细胞邻域建模，细胞表型建模和合成逼真的细胞/组织纹理。通过生成模拟真实场景中发现的疾病范例的合成组织，定性和定量地证明了Synplex的灵活性和准确性。Synplex可公开用于科学目的，我们相信它将成为训练和/或验证多重图像分析算法的宝贵工具。
2021-03-08 cs.CV q-bio.QM q-bio.TO
Bridging the gap between individual-based and continuum models of growing cell populations
生长细胞群体空间动力学的连续统模型已被广泛用于研究组织发育和肿瘤侵袭的机制。这些模型由非线性偏微分方程组成，该方程描述了细胞密度响应于由种群增长产生的压力梯度的演变。很少有以前的工作探讨了这种连续模型和相关的单细胞模型之间的关系。我们在这里提出了一个简单的随机个体为基础的多细胞系统的空间动力学模型，使细胞进行压力驱动的运动和压力依赖的proliferation.We表明，非线性偏微分方程通常用于模拟生长的细胞群体的空间动力学可以正式来自分支随机行走，我们的离散模型的基础。此外，我们进行了一个系统的比较，基于个人的模型和它的连续对应物，无论是在一个单一的细胞群体的情况下，在多个细胞群体具有不同的生物物理特性。我们的比较研究结果表明，基于个人的模型的计算模拟结果忠实地反映了相应非线性偏微分方程解的定性和定量性质。最终，这些结果说明了在我们的基于个体的模型中，控制单细胞动态的简单规则如何导致在连续模型中观察到的复杂空间模式的出现。
2019-05-11 math.AP q-bio.CB q-bio.TO
Continuum models of collective cell migration
集体细胞迁移在组织发育、形态发生、伤口修复和癌症进展中起着核心作用。随着越来越多的人认识到物理力在发育和生理学中介导细胞运动，一个关键的生物学问题是细胞如何整合分子活动以在多细胞尺度上产生力。在这篇综述中，我们讨论了最近的进展，集体细胞迁移建模的定量工具和方法植根于软物质物理。我们专注于理论模型的细胞聚集体作为连续的活性介质，机械力和监管生化之间的反馈产生了丰富的集体动力学行为。这类模型为许多发育过程的基础生理动力学提供了强大的预测框架，其中细胞需要像粘性流体一样集体迁移以到达目标区域，然后再迁移以支持机械应力并保持组织凝聚力。
2018-12-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Are homeostatic states stable? Dynamical stability in morphoelasticity
生物生长通常由机械线索驱动，例如外部压力或拉伸载荷的变化。此外，众所周知，许多活组织主动维持优选水平的机械内应力，称为机械稳态。局部机械应力的变化影响生长的组织级反馈机制被称为形态弹性理论中的生长定律，形态弹性理论是一种用于理解生长和进化生物材料中力学和几何学之间耦合的理论。本文的目标是发展数学技术来分析生长规律，并探讨异质性和生长稳定性问题。我们讨论了管状结构的生长动力学，这是非常常见的生物学（如动脉，植物茎，气道）和模型的稳态驱动的生长动力学管产生空间不均匀的残余应力。我们表明，稳态的稳定性依赖于非平凡的各向异性的生长响应。各向异性的关键作用可能为稳态驱动的生长规律的实验测试提供基础。
2018-04-22 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
