A model for boundary-driven tissue morphogenesis
Princeton University（普林斯顿大学）；The Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics, Princeton University（普林斯顿大学整合基因组学刘易斯-席格研究所）；Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；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）；Flatiron Institute（平托研究所）
本文提出了一种模型，用于研究边界驱动的组织形态发生，揭示了后肠变形的主动与被动机制及其对称性破坏过程。
2025-03-05 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
Cell resolved, multiparticle model of plastic tissue deformations and morphogenesis
我们提出了一个胚胎组织动力学的三维力学模型。机械耦合的粘附细胞被表示为与弹性梁互连的颗粒，其可以施加非中心力和扭矩。组织可塑性是由一个随机过程组成的连接变化（添加或删除一个单一的链接），然后完全放松到机械平衡。特别是，我们假设（i）两个非连接的，但相邻的粒子可以形成一个新的链接;和（ii）链接的寿命减少张力。我们表明，该模型产生一个现实的宏观弹塑性行为，我们建立微观模型参数如何影响在宏观尺度上的材料性能。基于这些结果，可以从组织厚度、宏观弹性模量以及细胞间粘附力的大小和动态推断微观参数值。除了它们的机械作用外，模型粒子还可以充当主动模拟代理，并根据特定规则调节它们的连接性。作为一个例子，各向异性的链接插入和移除概率可以引起局部细胞插入和大规模的收敛延伸运动。建议的随机模拟细胞活动产生波动的组织运动表现出相同的自相关特性的经验数据从鸟类胚胎。
2014-08-13 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Fluctuation-Driven Morphological Patterning: A Novel Approach to Morphogenesis
受水螅再生中钙涨落驱动形态转变的启发，本文提出随机涨落驱动形态模式形成的新机制，并通过一维闭合轮廓与标量场耦合的简单模型，揭示了涨落强度、耦合临界值及温度等因素如何决定形态转变的性质与亚稳态间的熵势垒。
2024-05-06 physics.bio-ph
Theory of defect-mediated morphogenesis
越来越多的实验证据表明，拓扑缺陷可以作为组织形态发生的组织中心。在这里，我们提供了一个定量的解释这种现象，植根于可变形的主动极性液晶的屈曲理论。使用线性稳定性分析和计算流体动力学相结合，我们证明，活性层，如封闭的细胞单层，是不稳定的，在存在向错的突起的形成。不稳定性源于缺陷介导的弹性力聚焦与活跃流动对系统表面张力的重整化之间的相互作用。后过渡制度的特点也是由几个复杂的形态动力学过程，如振荡变形，液滴成核，和主动湍流。我们的研究结果提供了一个解释最近的观察组织形态发生和阐明一般的动态活性表面。
2022-03-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Hydra morphogenesis as phase-transition dynamics
本研究利用Hydra再生过程构建动物形态发生的物理框架，发现Ca2+分布的空间涨落驱动了其形态转变，并通过场论模型将该过程解释为Ca2+场与组织曲率耦合引发的类一阶相变，且实验验证了模型预测。
2023-04-04 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech nlin.AO
Feedback-controlled mechanics of tissue vertex model: emergent soft elasticity and active yielding
University of California Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；Kavli Institute for Theoretical Physics（卡弗里理论物理研究所）
研究通过最小顶点模型揭示细胞尺度过程如何产生组织尺度向列序，并影响组织流变学，发现主动屈服状态与柔软弹性状态的转变机制。
2026-09-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Universal Calcium fluctuations in Hydra morphogenesis
本研究通过电场与Heptanol调控水螅全身再生中的Ca2+波动，发现其统计分布符合倾斜双势阱场论模型，并揭示组织处于双稳态起始附近以维持再生能力。
2023-04-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Morphogenesis of membrane invaginations in spherical confinement
我们研究了球形约束下流体膜的形态。当膜的面积略大于外容器的面积时，观察到单个轴对称内陷。对于更大的面积，发生自接触：内陷破坏对称性，并变形成椭圆形，通过一个小狭缝连接到其外部。对于更高的区域，第二内陷形成在原始内陷内。观察到的折叠模式可以构成生物组织和细胞器形态发生的基本构件。
2012-03-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
PDE-constrained shape registration to characterize biological growth and morphogenesis from imaging data
我们提出了一个偏微分方程约束的形状配准算法，捕捉变形和生长的生物组织从成像数据。形状配准是通过空间变换函数评估几何形状对之间的最佳对准的过程。我们从我们以前报道的工作，它使用三维张量积B样条基函数插值三维空间。在这里，B样条控制点的移动，与描述组织形状的隐函数组成，产生总变形梯度场。然后将变形梯度分为生长和弹性贡献。生长张量捕获质量的增加，即生长，并且根据通常是弹性形变的函数的本构方程演化。仅由于变形的弹性分量而在材料中产生应力。通过最小化总能量泛函来获得配准的结果，该总能量泛函包括：反映形状之间的相似性的距离度量，以及考虑组织生长的总弹性能量。我们应用所提出的形状配准框架研究斑马鱼胚胎表皮过程和皮肤重建手术中的组织扩张。我们预计，我们的偏微分方程约束的形状配准方法将提高我们的生物和医学问题，其中组织经历极端变形随着时间的推移的理解。
2022-04-05 cond-mat.soft eess.IV physics.bio-ph
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
Actin driven morphogenesis in hydra
本研究通过粘弹性膜模型与非平衡模拟，探究水螅触手生长中肌动蛋白向列排列及拓扑缺陷的作用，提出主动聚合与膜流动性是管状触手生长的关键机制。
2025-09-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
From Simulated Fluids to Living Tissue: Zero-Shot Foundation Model Transfer to Perturbed Embryos
UC Santa Barbara（加州大学圣巴巴拉分校）；PolymathicAI；New York University（纽约大学）；University of Cambridge（剑桥大学）
该研究将在模拟连续系统上预训练的连续动力学基础模型Walrus微调后，在果蝇胚盘视频数据上验证其在分布内及零样本扰动下的预测能力，证明物理基础模型可迁移用于低数据形态发生模拟。
2026-10-14 cs.LG physics.bio-ph q-bio.QM
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
3D mechano-geometric multicellular model of apical stem cell-driven plant morphogenesis
Hiroshima University（广岛大学）
本文提出一种三维机械-几何多细胞模型，用于研究细胞分裂方向对植物三维形态发生的影响，通过模拟细胞力学、细胞壁生长和组织几何变化，探讨顶端干细胞驱动的对称体计划形成机制。
2026-05-13 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Effect of cellular rearrangement time delays on the rheology of vertex models for confluent tissues
在生物学过程中的大规模组织变形，如形态发生，需要细胞重排。融合细胞单层中最简单的重排涉及四个细胞之间的邻居交换，称为T1转变，类似于泡沫。但与泡沫不同的是，细胞必须执行一系列分子过程，例如粘附分子的内吞作用，以完成T1转变。与组织中的其他时间尺度相比，这样的过程可能需要很长时间。在这项工作中，我们将这一想法通过增加顶点模型，需要一个固定的，有限的时间为T1过渡，我们称之为“T1延迟时间”。我们研究T1延迟时间的变化如何影响组织力学，通过量化T1延迟存在下组织的弛豫时间，并将其与基于细胞形状的时间尺度进行比较，该时间尺度表征在没有任何T1延迟的情况下的流动性。我们发现，分子尺度的T1延迟时间尺度占主导地位的细胞形状规模的集体响应时间尺度时，T1延迟时间是较大的两个。我们将这种分析扩展到收敛扩展下变得各向异性的组织，发现类似的结果。此外，我们发现增加T1延迟时间会增加更高倍数的协调顶点和顶点的百分比，并减少成功的T1的总数，从而有助于更像弹性的组织反应。我们的工作表明，分子机制，作为一个刹车T1转换可以扰乱全球组织力学和增强玫瑰花结形成过程中形态。
2021-04-18 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
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
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
Tissue shape from cell-scale active tensions
Princeton University（普林斯顿大学）；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）；University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）
通过离散共形几何方法，研究由主动张力驱动的上皮组织形状与力学，揭示组织具有类似固体的弹性变形和塑性重排能力。
2026-10-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Cell intrinsic dynamics guide neuroblast ingression independent of tissue fluidity
University of Toronto（多伦多大学）；Institut Pasteur, Université Paris Cité（巴斯德研究所，巴黎西岱大学）；University of Western Ontario（韦仕敦大学）；Ted Rogers Centre for Heart Research, University of Toronto（多伦多大学罗杰斯心脏研究中心）；Institute of Biomedical Engineering, University of Toronto（多伦多大学生物医学工程学院）；The Hospital for Sick Children（多伦多加拿大儿童医院）；Department of Medical Biophysics, University of Western Ontario（韦仕敦大学医学生物物理系）
该研究结合数学建模与活体成像发现，果蝇成神经细胞内陷依赖细胞内在机制而非组织流动性，揭示了发育系统维持关键过程稳健性的一种方式。
2026-08-05 physics.bio-ph
AI-driven control of bioelectric signalling for real-time topological reorganization of cells
本研究提出结合深度强化学习框架与实验室自动化技术，通过实时操控生物电信号引导组织再生与形态发生，以填补生物电调控相关知识空白，推动再生医学等领域的应用发展。
2025-03-19 cs.AI cs.SY eess.SY
Tissue hydraulics: physics of lumen formation and interaction
管腔的形成在组织发育过程中的形态发生中起着至关重要的作用。在这里，我们回顾的物理原理，在管腔的生长和粗化中发挥作用。细胞的溶质泵送，渗透压和静水压力的差异驱动的液压流，细胞外液和细胞产生的细胞骨架力之间的力的平衡，以及电渗效应已经涉及到确定管腔的动态和稳态。我们使用线性不可逆热力学的框架来讨论在这些过程中所涉及的相关力，时间和长度尺度。我们重点关注控制管腔形成和粗化的物理参数的数量级估计。
2021-07-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
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
Modeling the mechanosensitive collective migration of cells on the surface and the interior of morphing soft tissues
本文提出一个框架，建模形态变化软组织中表面与内部细胞不同的机械敏感性迁移和收缩反应，并考虑活性弹性毛细效应，通过模拟验证以解释实验数据。
2023-10-15 physics.bio-ph
Jamming and arrest of cell motion in biological tissues
集体细胞运动是至关重要的许多生物过程，包括形态发生，伤口愈合和癌症侵袭。最近，生物学和生物物理学社区已经开始使用术语细胞干扰来描述组织中细胞运动的集体停滞。虽然这一术语被广泛使用，但其基本机制各不相同。在这篇综述中，我们强调了三个独立的机制，可以潜在地驱动逮捕的细胞运动-拥挤，张力驱动的刚性，并减少波动-并提出了一个推测性的相图，其中包括所有三个。由于多个机制可能同时运行，这强调了实验应该努力确定在给定情况下哪个机制占主导地位。我们还讨论了特定的细胞尺度和分子尺度的生物过程，如细胞-细胞和细胞-基质相互作用，控制这些潜在的物理机制方面。
2021-02-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
How Criticality of Gene Regulatory Networks Affects the Resulting Morphogenesis under Genetic Perturbations
尽管基因调控网络（GRNs）的临界性与单细胞水平的GRNs动力学之间的关系已被大力研究，但GRNs的临界性与更高水平的系统性质之间的关系仍未被探索。在这里，我们的目的是揭示一个潜在的作用，关键性的GRNs在多细胞水平上，这是很难发现通过单细胞水平的研究，特别是从进化的角度来看。我们的模型模拟了从单个种子细胞到细胞群的生长。假设所有细胞具有相同的GRN。我们通过添加、删除或切换一对基因之间的调控连接来诱导种子细胞GRN的遗传扰动。从数值模拟中，我们发现，临界的GRNs促进了非平凡形态的形成时，GRNs是关键的存在下的演化扰动。此外，GRNs的临界性通过调整细胞的空间排列产生拓扑同质的细胞簇，从而形成非平凡的形态发生模式。我们的研究结果符合表观遗传学的观点，即异质和复杂的特征是通过它们之间的相互作用从同质和不太复杂的组分中产生的。因此，我们的研究结果表明，在多细胞生物的形态发生高度结构化的组织或器官可能源于GRNs的关键性。
2018-01-26 nlin.AO nlin.PS 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
Tissue stress measurements with Bayesian Inversion Stress Microscopy
本研究提出了一种无需假设细胞流变学的贝叶斯反演应力显微镜技术，用于测量复杂异质组织中的应力，适用于多种实验条件和细胞类型。
2025-11-29 physics.bio-ph q-bio.QM
Shape driven confluent rigidity transition in curved biological tissues
本文用球面上的二维顶点模型研究融合组织单层，揭示细胞形状指数驱动的刚性转变临界点依赖曲率，并给出可检验的曲率–形状指数相图。
2022-10-17 cond-mat.soft physics.bio-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
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
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
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
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
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
Topology control of human cells monolayer by liquid crystal elastomer
活组织中的生物细胞形成具有局部取向有序性和拓扑缺陷的动态图案。在这里，我们展示了一种方法来生产细胞单层与预先设计的取向模式，使用人皮肤成纤维细胞（HDF）放置在光取向的液晶弹性体（LCE）。细胞的排列是由与水性细胞生长培养基接触的基底的各向异性溶胀引起的。在LCE中预先设计的图案引起细胞表型的强烈空间变化（由形状变化证明）、它们的表面密度和数量密度波动。与负强度缺陷相比，正强度缺陷的核心附近的细胞浓度显著更高。活性物质固有的缺陷对的解结合被各向异性表面锚定抑制。阵列的几何形状允许人们估计组织的弹性和表面锚定特性。所展示的模式化LCE方法可用于控制活组织中细胞的集体行为、细胞分化和组织形态发生。
2020-03-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Dimensionality and confinement reshape competition in cellular renewing active matter
Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）；Institute for the Dynamics of Complex Systems, Göttingen University（哥廷根大学复杂系统动力学研究所）；Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics, University of Oxford（牛津大学鲁道夫·皮尔斯理论物理中心）
本研究探讨了二维细胞团块中维度和空间约束如何影响克隆竞争机制，揭示了机会性和稳态压力竞争的相互作用及边界对竞争结果的影响。
2025-12-01 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
The geometric nature of homeostatic stress in biological growth
本文提出一种基于生长不兼容性的生物生长几何框架，通过惩罚偏离期望不兼容性状态来阐明组织大小与形状的调节机制，并建立了细胞与组织尺度间的联系。
2025-05-02 physics.bio-ph
Elastic Anisotropy Governs the Decay of Cell-induced Displacements
纤维细胞外基质（ECM）的独特的非线性力学有利于长距离细胞间的机械通信，这在线性弹性基质上是不可能的。过去的研究已经描述了两个独立的影响力的传输范围的贡献，包括ECM弹性非线性和纤维对齐。然而，这些不同效应之间的关系尚不清楚，它们如何结合起来决定力的传递范围仍然是难以捉摸的。在这里，我们结合离散纤维模拟连续建模研究纤维网络中的收缩细胞引起的位移衰减。我们表明，纤维的非线性和纤维的重取向都有助于应变诱导的细胞局部环境的弹性模量的各向异性。这种弹性各向异性是控制位移缓慢衰减的参数，它取决于所施加应变的大小，作为细胞模型的外部张力或内部收缩。此外，我们表明，占人工规定的弹性各向异性规定的位移衰减引起的收缩细胞。我们的研究结果将以前的单一效应统一到一个机械理论中，解释了纤维网络中的力传递。这项工作为涉及ECM介导的远端细胞的协调作用的生物过程提供了重要的见解，例如发生在形态发生，伤口愈合，血管生成和癌症转移中。它还可以为生物材料提供设计参数，以控制细胞之间的力传递，作为指导组织工程中形态发生的一种方式。
2019-05-10 physics.bio-ph
Interplay between substrate rigidity and tissue fluidity regulates cell monolayer spreading
细胞的协调和合作运动对于胚胎发育、组织形态发生、伤口愈合和癌症侵袭是必不可少的。由于细胞-细胞相互作用、细胞-基质粘附和活性细胞行为之间的复杂相互作用，对集体细胞运动中出现的力学行为的预测性理解是具有挑战性的。为了克服这一挑战，我们开发了一个预测细胞顶点模型，可以描绘基板的刚度，组织力学和活性细胞特性的细胞集体的运动的相对作用。我们将该模型应用于细胞聚集体集体运动的特定情况下，因为它们扩散到一个二维的细胞单层粘附到一个软弹性基质。与最近的实验相一致，我们发现，基板刚度调节细胞单层，这可以是压力驱动的或爬行为基础的依赖于基板的刚度的蔓延的驱动力。在软基质上，由于来自聚集体的细胞流入，细胞单层铺展由主动压力驱动，而在硬基质上，细胞铺展主要由主动爬行力驱动。我们的模型预测，细胞爬行和组织压力的合作驱动更快的扩展，而扩展速率是敏感的组织的机械性能。我们发现，固体组织传播速度更快的刚性基板上，与组织张力的扩展速率增加。相比之下，流体组织的扩散与基质硬度无关，并且比固体组织慢。我们比较我们的理论结果与实验结果的牵引力产生和细胞单层的扩散动力学，并提供新的预测集体细胞运动的组织流动性和基板刚性的作用。
2022-10-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
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
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
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
Emergence of bidirectional cell laning from collective contact guidance
本研究通过实验和理论揭示，亚细胞微沟槽引导细胞形成双向车道，降低转变阈值，塑造迁移模式，为组织工程提供策略。
2024-05-29 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
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
Colloquium: Mechanical formalisms for tissue dynamics
实验技术的巨大进步更新了对生物体形态发生的理解，这些技术提供了细胞尺度的定量信息，包括组织内细胞的形状和表达的基因。这一信息表明，我们对基因表达和机制各自贡献的理解，以及它们之间的关键纠缠，将很快向前飞跃。生物力学越来越多地受益于模型，它有助于实验的设计和解释，指出主要成分和假设，并最终导致预测。因此，新获得的本地信息需要反思如何选择合适的机械模型类。我们回顾了当前组织行为知识所建议的机械成分，以及可以帮助生成流变图或本构方程的建模方法。我们区分细胞尺度（“细胞内”）和组织尺度（“细胞间”）的贡献。我们回顾了连续介质材料的数学框架，并解释了如何将本构方程转化为一组可进行数值求解的偏微分方程。我们表明，当塑性行为是相关的，耗散函数形式主义出现适当的生成本构方程，其变分性质有利于数值实现，我们讨论的适应需要在大变形的情况下。本文收集的理论方法，可以很容易地增强从最近或未来的高通量生物力学实验中提取的数据的意义。
2015-09-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.med-ph
A Dynamically Diluted Alignment Model Reveals the Impact of Cell Turnover on the Plasticity of Tissue Polarity Patterns
细胞和组织的极化是生物发育和再生过程中组织形态发生的基础。生物极性模式的形成可以得到更深入的了解，从考虑模式重组，以响应一个相反的指导性线索，我们在这里考虑的例子，实验诱导的身体轴倒置的涡虫。我们的动态稀释对齐模型代表了三个过程：夹带细胞极性的全球信号，本地细胞-细胞耦合对齐极性之间的邻居和细胞营业额插入最初未极化的细胞。我们表明，一个持久的全球定向信号决定了最终的平均极性取向在这个随机模型。结合数值和分析的方法，我们发现，邻居耦合延迟极性图案重组，而细胞周转加速it. We推导出一个有效的邻居耦合强度整合两种效果的公式，并发现极性重组的时间线性依赖于这个有效的参数，没有观察到突变。这允许从实验观察确定相邻耦合强度。我们的模型与退火位点稀释的动态$8$ -Potts模型相关，并对动态系统的极化进行了可测试的预测，如真涡虫上皮。
2017-10-09 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
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
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
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
