Interaction of a migrating cell monolayer with a flexible fiber
机械力影响生物组织的发育和行为。在许多情况下，这些力由弹性顺应性结构（诸如自身组织细胞基质或其他周围组织）施加或抵抗。这种组织-弹性体相互作用也是在生物物理学中采用的许多最先进的{ \it in situ}力测量技术的核心。这就需要对组织与周围施加这些力的弹性体的相互作用进行建模，提出了一个问题：描述这种相互作用所需的最低成分是什么？我们进行实验，迁移细胞单层推动碳纤维作为一个模型问题。虽然迁移的组织能够使纤维弯曲一段时间，但它最终会在停止之前弹回。当细胞在纤维上做了固定的机械功时，这种停止就会发生，而不管纤维的硬度如何。基于这些观察，我们开发了一个最小的活性流体模型，再现实验和定量预测系统的相关功能。这个极小模型指出了描述组织-弹性固体相互作用所需的基本成分：有效惯性和粘性应力。
2021-01-01 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
Migrating cell clusters as active droplets with asymmetric shape and contact angles
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, Technische Universität Dresden（德累斯顿工业大学生命物理卓越集群）；Departament de Física de la Matèria Condensada, Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学凝聚态物理系）；Universitat de Barcelona Institute of Complex Systems (UBICS)（巴塞罗那大学复杂系统研究所）；Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA)（加泰罗尼亚研究高级学院）
本研究通过实验和模型扩展，揭示迁移细胞簇形状不对称源于牵引力梯度，并通过杨-拉普拉斯方程产生曲率梯度，从而估算组织粘度。
2026-10-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Stick-Slip Dynamics of Migrating Cells on Viscoelastic Substrates
粘滑运动是细胞爬行过程中的一种常见现象，对基底刚度非常敏感。粘滑行为先前已经典型地使用纯弹性基底进行了研究。为了更真实地理解这种现象，我们提出了一个理论模型来研究粘弹性基板上的动力学。我们的模型的基础上的反应扩散框架，结合了已知的重要的相互作用，如肌动蛋白，肌球蛋白的收缩性，力依赖性组装和拆卸的焦点粘连加上细胞-基质相互作用的逆行流动。我们表明，考虑的粘弹性基板不仅捕捉通常观察到的粘滑跳跃，但也预测存在一个最佳的基板粘度对应的最大牵引力和最小逆行流，这是迄今为止尚未探索。此外，我们的理论预测的时间演变的个人债券力的粘滑模式的特点软与硬基板。我们的分析还阐明了粘滑周期的持续时间是如何受到各种细胞参数的影响。
2019-02-06 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
Chemotaxis of branched cells in complex environments
本研究扩展了分支细胞在网络中迁移的理论模型，通过引入趋化因子源探索细胞反应，预测了速度与精度的权衡关系，并与斑马鱼中性粒细胞迁移实验对比，揭示了中性粒细胞作为快速细胞牺牲趋化精度以实现其免疫功能的特性。
2025-05-30 physics.bio-ph q-bio.CB
Cell motility, synchronization, and cell traction orientational order
游泳微生物的悬浮液提供了协调的主动动力学的例子。这激发了对活性物质的同步化和极序相结合的唯象理论的研究。在这里，我们考虑另一个受迁移细胞牵引力启发的例子。在这种情况下，新颖之处在于牵引力场的全局无力性质。在矢量场描述微生物悬浮液中的游动速度的情况下，不存在这样的约束。细胞牵引力的特征在于一个复杂的张量，它概括了粒子的取向张量，以纳入粒子同步的能力，细胞运动性取决于这个量是非零的。我们提供了一种迁移细胞的实现，其包括在流体基底上施加牵引力的偶极元件的组件。该模型表明，自发过渡到能动状态是可能的，但需要（在同步的情况下）的振荡的非等时性，并涉及微妙的同步模式，与波的传播。这样的结果是一致的，最近的实验工作有关运动的肌动蛋白振荡器在迁移细胞的周边同步。
2019-04-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Noise in the direction of motion determines the spatial distribution and proliferation of migrating cell collectives
本文通过基于个体的模型研究细胞运动方向噪声与增殖的相互作用，发现高噪声导致随机分布且增殖增强，低噪声导致环状分布且增殖降低，揭示了噪声通过机械反馈影响细胞空间组织与增殖的机制。
2023-07-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Collective force generation by groups of migrating bacteria
从细菌中的生物膜和菌落形成到多细胞生物中的伤口愈合和胚胎发育，活细胞群必须经常集体移动。虽然相当多的研究已经探索了真核细胞在迁移过程中如何产生力的生物物理机制，但很少有这样的研究致力于细菌，特别是关于细菌在集体运动中如何产生和协调力的问题。这个问题是解决这里第一次使用牵引力显微镜。我们研究了两种不同的运动机制粘球菌xanthus，即抽搐和滑行。对于由IV型菌毛收缩提供动力的抽搐，我们发现单个细胞在小热点中施加局部牵引力，其力为50 pN。细菌群的抽搐也产生牵引热点，然而具有约100 pN的放大力。虽然抽搐组迁移缓慢，作为一个整体，牵引波动迅速的时间尺度<1.5分钟。滑动，第二个运动机制，是由基底粘连的横向运输。当细胞被分离时，滑动产生大约1Pa的低平均牵引力。然而，牵引力在组中被放大约5倍。由于滑动细胞的推进突起在运动方向上平均推动，我们推断子领导细胞之间的长期压缩载荷共享。总之，这些结果表明，在抽搐和滑动过程中产生的力具有互补的特征，并且这两种力在组中被集体放大。
2017-01-02 physics.bio-ph q-bio.CB
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
Chemotaxis of cell aggregates: morphology and dynamics of migrating active droplets
University of Oxford（牛津大学）；University College London（伦敦大学学院）
研究通过建立活性液滴模型，揭示了细胞团在趋化作用下形态转变的机制及影响因素。
2026-02-23 cond-mat.soft math.AP physics.bio-ph
Active-gel Theory for Multicellular Migration of Polar Cells in the Extra-cellular Matrix
我们制定了一个活性凝胶理论的细胞外基质（ECM）中的多细胞迁移。将细胞建模为活性极性溶剂，将ECM建模为粘弹性固体。我们的理论能够分析迁移细胞和它们的环境之间的动态相互作用，在不同的相对力和对齐机制。我们分析了极性细胞在ECM中均匀迁移的线性稳定性。我们的理论预测，作为细胞-基质排列的结果，收缩细胞均匀迁移为小波矢量，而足够伸展的细胞迁移域。由于主动力和细胞与其浓度梯度的对齐，伸展细胞和收缩细胞的均匀细胞迁移对于较大的波矢量可能是不稳定的。这些机制通过细胞与迁移流和基质刚度的对齐来稳定。他们预计将被完全抑制为刚性矩阵的弹性模量为10千帕。我们的理论应该是有用的，在分析多细胞迁移和ECM图案在介观尺度。
2022-02-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
A nonlinear theory for chemotactic fronts of mixed populations
Mathematical Institute, University of Oxford（牛津大学数学研究所）；School of Mathematics, University of Bristol（布里斯托大学数学学院）
通过渐近分析推导非线性理论，揭示细胞扩散性、趋化剂消耗和趋化敏感性如何决定异质性细胞群体的密度分布，并预测树突细胞与T细胞共迁移中的参数平衡。
2026-09-25 math.AP nlin.AO physics.bio-ph
Modeling Multi-Cellular Dynamics Regulated by ECM-Mediated Mechanical Communication via Active Particles with Polarized Effective Attraction
集体细胞迁移对许多生理和病理过程至关重要。最近的实验研究表明，在纤维细胞外基质（ECM）中迁移细胞产生的主动牵引力可以机械重塑ECM，使细胞力的长距离传播，并导致相关的迁移动力学调节的细胞之间的机械通信。受这些实验发现的启发，我们开发了一种具有极化有效吸引力（APPA）的活性粒子模型，用于模拟由ECM介导的机械通信调节的紧急多细胞迁移动力学。与经典的活性布朗粒子相比，具有极化成对吸引力的活性粒子表现出增强的聚集行为，特别是在较低的粒子密度和较大的旋转扩散率下。重要的是，与经典ABP系统相比，APPA系统的高密度相表现出强的动态相关性，其特征在于缓慢衰减的速度关联函数，其相关长度与高密度相域的线性尺寸相当（即，粒子的簇）。由APPA模型预测的强相关多细胞动力学随后在使用MCF-10A细胞的{ \it in vitro}实验中得到验证。我们的研究还表明，将ECM介导的迁移细胞之间的机械耦合的重要性，适当地模拟紧急多细胞动力学在复杂的微环境。
2020-04-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Coupling of cytoplasm and adhesion dynamics determines cell polarization and locomotion
观察单一表皮细胞的平面粘合剂基板上揭示了两种不同的形态和功能状态，即非迁移对称非极化状态和迁移非对称极化状态。这些状态的特征在于重要的生化细胞成分的不同空间分布和动力学：F-肌动蛋白和肌球蛋白-II形成细胞骨架的收缩部分，质膜中的整合素受体将F-肌动蛋白丝连接到基质。以这种方式，聚集粘着斑复合物，其决定细胞骨架力转导和随后的细胞运动。到目前为止，物理模型已经将这种现象归结为调节控制分子的梯度或细胞不同区域肌动蛋白丝系统的不同机制。在这里，我们提供了一个替代和自组织模型，结合聚合，推动和滑动的细丝，以及形成的粘附位点和它们的力依赖动力学。所有这些现象可以组合成一个非线性耦合的双曲型、抛物型和椭圆型微分方程组。本文的目的是展示参与分子的小尺度力学和动力学的相对简单的关系如何在大尺度细胞水平上再现极化和迁移的涌现行为。
2010-04-13 physics.bio-ph q-bio.CB
Inferring nonlinear dynamics of cell migration
研究通过计算相场模型结合数据驱动方法，揭示了细胞在受限和微图案环境中的非线性迁移动力学，发现细胞大小、硬度及突起噪声是决定其持续跳跃或双稳态行为的关键因素。
2024-12-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Deriving Time-varying Cellular Motility Parameters via Wavelet Analysis
细胞迁移是正常组织发育和肿瘤转移不可缺少的生理和病理过程，受细胞内信号通路和细胞外微环境（ECM）的调控。然而，由于一些因素的影响，缺乏足够的工具来分析随时间变化的细胞迁移特性，即，ECM包括由迁移细胞引起的微结构重构引起的时间依赖性局部刚度。在这里，我们开发了一种方法来获得时间依赖性的运动参数从细胞轨迹，基于随时间变化的持续随机游走模型。特别地，我们采用小波去噪和小波变换来研究细胞迁移速度，并获得小波功率谱。随后通过洛伦兹功率谱推导出随时间变化的运动参数。分析表明，小波去噪、小波变换和Lorentzian功率谱的结合为精确提取时变运动参数提供了有力的工具，在一定程度上反映了微环境的时变特性。
2020-10-24 physics.bio-ph
Inferring three-body interactions in cell migration dynamics
Ludwig-Maximilians-Universität München（慕尼黑大学）；Vrije Universiteit Amsterdam（阿姆斯特丹自由大学）；Arnold-Sommerfeld-Center for Theoretical Physics, Ludwig-Maximilians-Universität München（慕尼黑大学阿诺德·索末菲理论物理中心）
该研究通过轨迹数据推断细胞迁移中可能存在的三体相互作用，并发现其对整体动力学影响较小，支持了成对相互作用的常见假设。
2026-01-09 physics.bio-ph
Modeling cell migration regulated by cell-ECM micromechanical coupling
纤维细胞外基质（ECM）中的细胞迁移在组织再生、免疫应答和肿瘤进展等许多生理和病理过程中起着至关重要的作用。在迁移过程中，单个细胞可以通过肌动蛋白丝收缩产生主动拉力，其通过粘着斑复合物传递到ECM纤维，重塑ECM，并最终传播到系统中的其他细胞并可以被系统中的其他细胞感知。ECM的微观结构和物理性质也可显著影响细胞迁移，例如，通过硬脊膜扩张和接触引导。在这里，我们开发了一个计算模型的细胞迁移调节细胞ECM的微机械耦合。我们的模型明确考虑了各种细胞水平的过程，包括粘着斑的形成和拆卸，主动牵引力的产生和细胞运动，由于肌动蛋白丝收缩，在ECM中的张力的传输和传播，以及由此产生的ECM重塑。我们通过准确地再现MCF-10A乳腺癌细胞在胶原凝胶上迁移的单细胞动力学来验证我们的模型，并表明模型中考虑的细胞-ECM微机械相互作用的结果自然产生了durotaxis和接触引导效应。此外，我们的模型预测强烈相关的多细胞迁移动力学，这是由于ECM介导的迁移细胞之间的机械耦合，并随后在{ \it体外}实验中使用MCF-10A细胞进行验证。我们的计算模型提供了一个强大的工具来研究在复杂的{ \it in vivo}微环境中的多细胞系统的涌现集体动力学，并可用于设计{ \it in vitro}微环境，以指导集体行为和自组织的细胞。
2019-05-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Shape dynamics and migration of branched cells on complex networks
本文提出一个理论模型，研究细胞在复杂网络连接点处的分支形状动力学与迁移，并结合微图案实验和图像分析，揭示了肌动蛋白逆行流噪声对细胞驻留的影响，以及巨噬细胞与内皮细胞在网络上迁移模式的显著差异。
2024-03-29 physics.bio-ph
Learning dynamical models of single and collective cell migration: a review
本综述聚焦单细胞与集体细胞迁移动力学模型研究，梳理数据驱动理论方法结合实验数据推断随机迁移模型的进展，涵盖细胞异质性、亚细胞自由度及多细胞集体动力学等应用，阐明其与活性物质模型结合的价值。
2023-10-07 physics.bio-ph physics.data-an q-bio.CB
Label-free microscopy of mitotic chromosomes using the polarization Orthogonality Breaking technique
目前可用于研究生物样品的绝大多数显微镜方法在成像之前需要染色。然而，在不同的情况下，以无标记的方式揭示特定细胞结构或细胞器的能力仍然是期望的。偏振显微镜一直被认为是一个有趣的替代荧光为基础的方法，以获得特异性的成像生物样品。在这项工作中，我们展示了如何一个原始的偏振成像技术，实现微波光子学，并被称为正交打破（OB）显微镜，可以提供信息偏振图像从一个快速和敏感的方式单次扫描的细胞样本。对于OB成像，用激光装置探测样品，同时产生频率偏移几十MHz的两个正交偏振。如果成像的样品显示出一些偏振特性，则两个偏振之间的正交性被破坏，导致可以用快速检测器检测到的拍音干涉信号。通过对不同细胞周期阶段的细胞系的OB偏振显微镜图像和荧光共聚焦图像的比较，发现在细胞分裂过程中致密染色体上存在内源性的偏振反差。该技术为有丝分裂染色体的无标记实时偏振成像铺平了道路，并在组织学和癌症诊断中具有进一步的潜在应用。
2020-10-03 physics.bio-ph
Inferring the dynamics of underdamped stochastic systems
Ludwig-Maximilian-University Munich（慕尼黑路德维希-马克西米利安大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；Vrije Universiteit Amsterdam（阿姆斯特丹自由大学）
本文提出了一种基于实验轨迹推断欠阻尼随机系统动力学的方法，适用于单细胞迁移和高维复杂系统，具有抗测量误差能力。
2026-04-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Chemo-mechanical model of a cell as a stochastic active gel
虽然通常观察到哺乳动物细胞的形状动力学可以经历大的随机波动，但旨在捕获细胞力学的理论模型通常专注于运动的确定性部分。在本文中，我们提出了一个框架，耦合一个活跃的凝胶模型的细胞机械支架与复杂的细胞代谢系统stochemical提供所需的化学能，以维持一个积极的压力在支架。我们的封闭假设设定的波动的幅度是，细胞的化学机械自由能控制在一个目标稳态值。我们的模型合理化了实验观察结果，即细胞形状波动取决于约束细胞的机械环境。我们将我们的框架应用于一维轨道上迁移的细胞的简单情况，以成功地捕获沿轨道的细胞均方位移的不同制度以及细胞的长时间尺度有效扩散运动的幅度。
2021-03-01 physics.bio-ph q-bio.CB
Disentangling the Behavioural Variability of Confined Cell Migration
细胞间变异性是许多生物过程所固有的，包括细胞迁移。量化和表征迁移细胞的变异性具有挑战性，因为它需要在相同条件下长时间监测许多细胞。在这里，我们观察到单个人乳腺癌细胞（MDA-MB-231）的迁移限制两个国家的微观模式。为了描述这种受限迁移的随机动力学，我们采用了动力系统方法。我们确定的统计数据来衡量的迁移，这显着超过人口平均随机模型预测的行为方差。这种额外的差异可以解释为“老龄化”过程和人口异质性的结合。为了量化种群异质性，我们将细胞分解为慢细胞和快细胞的亚群，揭示了描述迁移的不同类别的动力系统的存在，范围从极限环行为。我们的研究结果突出了细胞群中存在的迁移行为的广度。
2019-10-07 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.QM
Anomalous dynamics of cell migration
细胞运动，例如在胚胎发生或肿瘤转移期间，是由细胞迁移机制的多个组分的复杂相互作用引起的复杂的动力学过程。乍一看，迁移细胞的路径类似于热驱动的布朗粒子。然而，细胞迁移是一个活跃的生物过程，使正常布朗运动的表征受到质疑。通过分析野生型和突变的上皮（MDCK-F）细胞的轨迹，我们实验表明，异常动力学的特点细胞迁移。均方位移的超扩散增加、非高斯空间概率分布和速度自相关的幂律衰减是这种解释的基础。几乎所有的结果都可以用分数Klein-Kramers方程来解释，该方程允许通过几个参数对细胞迁移进行定量分类。由此，它揭示了细胞迁移装置的各个组件对细胞整体行为的影响和相对重要性。
2009-04-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Antipolar Cell-cell Adhesion-causing Collective Motility Disorder
Graduate School of Integral Life Science, Hiroshima University（广岛大学综合生命科学研究院）；Graduate School of Medical Sciences, Nagoya City University（名古屋城市大学医学院）
本研究采用细胞Potts模型，探究反极性细胞间黏附对集体细胞迁移的影响，发现其会引发集体运动紊乱并抑制集体迁移，特定运动强度下可发生脱钉转变，该紊乱可通过反极性黏附与运动持续性的协同作用解释。
2026-09-03 physics.bio-ph q-bio.CB
Optimal chemotaxis in animal cell intermittent migration
动物细胞可以在不移动的情况下感知化学梯度，并且面临着向目标迁移的挑战，尽管目标位置上有噪声信息。在这里，我们讨论了最佳的搜索策略的追逐者，通过切换两个阶段的运动（“运行”和“翻滚”），在翻滚阶段重新定位自己对目标，并在运行阶段执行持久的随机行走。我们发现，追逐者的平均运行时间可以调整，以尽量减少目标捕捉时间或空间分散的追逐者。我们得到的分析结果的捕获时间和空间分散的运行时间翻滚时间的小和大的比例的限制，和缩放的最佳运行时间的法律。我们的研究结果对动物细胞迁移的最佳趋化策略具有重要意义。
2015-03-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Effects of 3D Geometries on Cellular Gradient Sensing and Polarization
在细胞迁移过程中，细胞变得极化，改变它们的形状，并响应各种内部和外部线索而移动。细胞极化是通过分子如PI3K或小GTP酶的时空组织来定义的，并且由细胞内信号传导网络来确定。它通过肌动蛋白聚合和肌球蛋白收缩产生定向力。许多现有的细胞极化的数学模型是制定在相互作用的分子的反应扩散系统，并经常被定义在一个或两个空间维度。在本文中，我们介绍了一个三维反应扩散模型的相互作用分子在一个单一的细胞，并发现细胞的几何形状有一个重要的作用，影响的能力，细胞的极化，或改变外部信号的方向。我们的研究结果提出了一个几何参数，为什么更多的圆形细胞可以更有效地比沿原始刺激的方向拉长的细胞，从而使圆形细胞转得更快，已经在实验中观察到。另一方面，即使梯度刺激从另一个方向出现，细长的细胞也优先沿其主轴极化。此外，我们的3D模型可以准确地捕获细胞极化的重要调节剂与细胞膜结合和脱离的效果。这种膜和胞质溶胶的空间分离，不可能在1D或2D模型中捕获，导致我们的模型与可比的低维模型有显着差异。
2016-07-06 physics.bio-ph q-bio.SC
Collective motion of cells crawling on a substrate: roles of cell shape and contact inhibition
接触抑制在细胞运动、伤口愈合过程和肿瘤形成中起着至关重要的作用。通过用伪足模拟细胞在基质上爬行的机械运动，我们建立了一个自然引起接触性运动抑制（CIL）的细胞迁移的极小模型。模型细胞由两个圆盘组成，一个在前面（伪足），另一个在后面（细胞体），由一个可伸缩的弹簧连接。尽管模型简单，但细胞的集体行为是高度非平凡的，这取决于细胞的形状和CIL是否被启用。具有小的前圆（即狭窄的伪足）的细胞形成固定的集落。相比之下，具有大的前圆（即，诸如板状伪足）的细胞表现出连贯的迁移，而模型中不存在任何明确的对齐机制。这表明爬行细胞通常表现出宽阔的前沿，因为这有助于它们避免聚集。在增加密度时，细胞发展出与细胞迁移方向相反的密度波，并最终在更高的密度下停止。
2016-11-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
The Role of Intracellular Interactions in the Collective Polarization of Tissues and its Interplay with Cellular Geometry
平面细胞极性（PCP），在多细胞长度尺度上的组织的连贯的平面内极化，提供指导细胞和组织水平上的大量发育过程的方向信息。虽然细胞利用细胞内和细胞间机制是显而易见的，但两者如何产生集体极化仍然是一个活跃的研究领域。我们研究了细胞内相互作用在细胞极性的大规模空间相干性中的作用，并仔细研究了细胞内相互作用在组织范围内极化的出现中的作用。我们证明，非本地的细胞质相互作用是必要的和足够的强大的远程极化，是必不可少的忠实检测弱方向信号。在存在非局部相互作用的情况下，组织极性中的几何信息的签名变得明显。我们调查的几何无序的有害影响，并确定条件的细胞质相互作用，保证极化的稳定性。随着几何无序度的增加，这些条件逐渐变得更加严格。几何信息的作用可能是明显的另一种情况是细长组织。引人注目的是，我们的模型概括了观察到的组织伸长的极性方向的影响。最后，我们介绍三类突变体：缺乏膜蛋白，细胞质蛋白，和当地的几何不规则性。我们采用核心-PCP作为模型途径，并通过比较计算机和体内表型来解释相应的模型参数。这种比较有助于我们阐明细胞质蛋白在细胞间通讯中的作用，并预测细胞质和膜蛋白在长程极化中的合作。
2019-03-15 physics.bio-ph q-bio.TO
T cell morphodynamics reveal periodic shape oscillations in 3D migration
T细胞使用复杂的形状动力学（形态动力学）来迁移并中和感染和癌细胞。然而，在3D细胞外基质（ECM）和跨时间尺度的迁移过程的定量理解有限。在这里，我们利用晶格光片显微镜的最新进展，以高时空分辨率定量探索迁移T细胞的3D形态动力学。我们首先开发了一个新的形状描述符的基础上，球谐函数，结合关键的极化信息的尾足类动物。我们发现T细胞的形状空间是低维的。在行为层面上，运行和停止迁移模式出现在~150秒，我们映射的形态动力学组成的每个模式，使用多尺度小波分析，找到“刻板”的图案。专注于运行模式，我们发现形态动力学周期性振荡（每100秒），可以分解为一个双相过程：前加宽与收缩的尾足，其次是向后的表面运动和向前延伸，其中嵌入与ECM在这两个步骤可能有利于向前运动。这些方法的进一步应用可以使得能够比较不同条件（例如分化、活化、组织和药物治疗）下的T细胞迁移，并提高免疫学发展的精确度。
2022-04-07 physics.bio-ph q-bio.CB
Learning the dynamics of cell-cell interactions in confined cell migration
从伤口愈合到癌症转移的生理过程中细胞的迁移动力学依赖于接触介导的细胞-细胞相互作用。这些相互作用在塑造迁移细胞的随机轨迹中起着关键作用。虽然数据驱动的单细胞的随机迁移动力学的物理形式主义已经开发，这样的框架相互作用的细胞的行为动力学仍然是难以捉摸的。在这里，我们在一个最小的实验细胞对撞机监测随机细胞轨迹：一个哑铃形的微图案上的细胞对执行重复的细胞碰撞。我们观察到不同的特征行为，包括细胞在碰撞时反转，跟随和滑动。利用这个大的实验数据集的耦合细胞轨迹，我们推断出一个相互作用的随机运动方程，准确地预测所观察到的相互作用行为。我们的方法揭示了相互作用的非癌性MCF 10A细胞可以通过排斥和摩擦相互作用来描述。相比之下，癌性MDA-MB-231细胞表现出吸引和抗摩擦相互作用，促进了这些细胞观察到的主要相对滑动行为。基于这些实验推断的相互作用，我们展示了这个框架可以概括为不同类型的细胞的不同细胞相互作用行为提供一个统一的理论描述。
2020-11-13 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Phase transition in the collective migration of tissue cells: experiment and model
我们已经记录了大量的角膜细胞（从金鱼的鳞片获得的组织细胞）使用长期的视频显微镜成群的集体迁移。通过增加迁移细胞的整体密度，我们已经能够在实验上证明从无序到有序状态的动力学相变。在临界密度附近，出现了一幅复杂的图像，其中有相互作用的细胞群成群移动。受这些实验的启发，我们构建了一个群集模型，表现出连续过渡到有序相，同时假设只有短程相互作用，没有明确的信息知识的运动方向的邻居。将细胞放置在微加工的竞技场中，我们发现了壮观的旋转行为，我们也可以在模拟中重现。
2006-11-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Dynamic cluster field modeling of collective chemotaxis
本文提出动态集群场建模（DCF）方法，可在O(1000)个细胞规模下高分辨率模拟集体趋化性与化学引诱物输运动力学，并通过多场景实验对比验证其高效性和预测能力。
2024-08-08 physics.bio-ph q-bio.CB
Controlling cell motion and microscale flow with polarized light fields
我们研究光偏振如何影响光响应藻类\textit{Euglena gracilis}的运动。在均匀极化的电场中，细胞近似垂直于极化方向游动，形成平均速度为零的极化状态。当光偏振在空间上变化时，细胞运动受到局部偏振的调制。在这样的光场，细胞表现出复杂的空间分布和运动模式，这是由底层领域的拓扑特性控制，我们进一步表明，有序的细胞游泳可以产生定向运输流体流。实验结果定量再现的主动布朗粒子模型中，粒子的运动方向是向列耦合到本地光偏振。
2021-02-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Velocities of Mesenchymal Cells May be Ill-Defined
针对间充质细胞瞬时速度无法良好定义的问题，本文提出用可测量的细胞极化动力学方程和极化依赖位移替代瞬时速度建模，所得位移分布与自相关函数更符合实验和Potts模拟。
2023-11-29 physics.bio-ph q-bio.CB
Energetic constraints on filament mediated cell polarization
细胞极化是许多细胞过程的基础，例如分化、迁移和萌芽。许多活细胞，如芽殖酵母和裂殖酵母，使用细胞骨架结构主动将蛋白质运输到膜上的一个位置，并产生高密度的膜结合蛋白质点。然而，热力学约束基于质子的细胞极化仍然未知。我们通过数学建模表明，细胞极化需要细致平衡被打破，我们量化的自由能成本保持极化状态的细胞。我们的研究表明，细致平衡不仅可以通过蛋白质沿着细丝的主动运输来打破，而且还可以通过化学修饰循环来打破，从而允许细致平衡通过蛋白质在细丝、膜和胞质溶胶之间的穿梭来打破。因此，我们的模型表明，细胞极化可以建立通过两个不同的驱动机制，一个基于主动运输和非平衡结合的基础上。此外，该模型预测，驱动绑定过程比基于运输的过程消耗的自由能少几个数量级，以创建相同的膜点。沿着细丝的主动运输可能足以产生膜结合蛋白的极化分布，但是蛋白质本身的额外化学修饰循环对运输细丝上的蛋白质的物理排斥更有效且不太敏感，从而提供了对裂殖酵母中的Pom 1/Tea 1/Tea 4系统和芽殖酵母中的Cdc 42系统的设计原理的深入了解。
2021-04-30 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
One dimensional cell motility patterns
在迁移过程中，细胞表现出丰富多样的看似随机的迁移模式，这使得解开控制细胞迁移的潜在机制成为一个艰巨的挑战。为了有效迁移，细胞需要极化机制，以便在运动方向上产生牵引力，同时释放粘附以允许向前迁移。为了简化这个过程的研究细胞已被研究时，沿一维轨道，其中单个细胞表现出平滑和粘滑迁移模式。粘滑运动模式的特征在于细胞前部的快速运动，加上缓慢的细胞伸长，随后是细胞后部的快速缩回。在这项研究中，我们探索了一个最小的物理模型，耦合的力施加在粘附键的长度变化的细胞和牵引力施加的极化肌动蛋白逆行。我们发现，丰富的频谱细胞迁移模式出现从这个模型作为不同的\emph{deterministic}动力学阶段。这一结果表明，随着时间的推移，在单细胞中和细胞群内观察到的细胞迁移模式中存在较大的细胞间变异性（CCV）。大的不均匀性可以由细胞组分中的小波动引起，所述小波动由于移动细胞的内部状态穿过动态相变线而被极大地放大。时间噪声驱动随机变化的细胞极化方向，这是增强粘滑迁移模式。这些结果提供了一个新的框架来解释迁移细胞的实验观察，导致噪音之间的转换基本确定性迁移模式。
2020-03-08 physics.bio-ph q-bio.CB
Spontaneous polarization for protrusion-driven cell crawling
LIPhy, CNRS–UMR 5588, Université Grenoble Alpes（法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学 LIPhy 实验室）
提出最小一维连续模型，通过细胞运动与外部化学调节因子反馈导致对称性破缺，实现自发极化驱动细胞爬行，预测了真实爬行速度和肌动蛋白密度分布。
2026-11-05 physics.bio-ph q-bio.CB
Morphological entropy encodes cellular migration strategies on multiple length scales
本研究提出结合参数化形态分析与Shannon熵的细胞形态熵（CME），可在多尺度实时量化细胞形态，揭示几何约束对细胞核的影响等迁移相关现象，为细胞迁移研究提供新工具。
2023-08-25 physics.bio-ph q-bio.CB
A fractional stochastic theory for interfacial polarization of cell aggregates
我们提出了一个理论框架来模拟细胞聚集体的电响应。我们建立了一个粗略的表示为每个细胞膜和细胞质的偶极矩的组合。然后，我们计算所得到的系统的有效电导率，此后推导出一个福克-普朗克偏微分方程，捕获的诱导细胞极化的细胞系综中的分布随时间的演变。我们的模型预测，平行于所施加的脉冲的偏振密度遵循倾斜的t分布，而横向偏振密度遵循对称的t分布，这与我们的直接数值模拟一致。此外，我们报告了一个降阶模型描述的一对耦合的常微分方程，再现的平均值和方差的诱导偶极矩的聚集。我们扩展我们提出的配方，考虑分数阶时间导数，我们发现有必要解释在实验中观察到的异常弛豫现象，以及我们的直接数值模拟。由于其时域公式，我们的框架可以很容易地用于考虑非线性膜效应或细胞间的耦合，出现在几个科学，医学和技术应用。
2020-08-25 cs.CE physics.bio-ph physics.chem-ph
Quantifying stretching and rearrangement in epithelial sheet migration
虽然理解细胞的集体迁移，如在上皮片中看到的，对于理解转移性癌症等疾病是必不可少的，但这种运动还没有像单个细胞迁移那样被很好地表征。在这里，我们采用定量指标来表征软物质的流动和变形，以对比细胞迁移片内不同类型的运动。使用一个实时李雅普诺夫指数（FTLE）分析，我们发现，尽管大的波动-上皮细胞片的流场是不混乱的。拉伸一片细胞（即，正FTLE）位于迁移的前沿。通过使用度量D $^{2}_{min}$将细胞的运动分解为仿射和非仿射分量，我们量化了局部塑性重排，并以一种新的方式描述了一组细胞的运动。我们发现随着细胞密度的增加，塑料重排增加，而无生命的系统往往表现出较少的非仿射重排密度增加。
2013-03-08 physics.bio-ph q-bio.CB
The effects of coating culture dishes with collagen on fibroblast cell shape and swirling pattern formation
当在培养皿上生长至汇合时，能动的人皮肤成纤维细胞形成肉眼可见的漩涡图案。在本文中，我们调查的影响，涂层的培养皿表面与胶原蛋白对所产生的图案，使用人皮肤成纤维细胞NB1RGB细胞作为模型系统。预期胶原蛋白涂层的存在增强成纤维细胞对培养皿表面的粘附，从而也增强成纤维细胞在移动时所具有的牵引力。我们发现，与我们最初的预期相反，涂层不会显著影响成纤维细胞的运动性。它们在汇合处的最终数量密度也不受影响。然而，在涡旋图案中的细胞取向的相干长度减小。我们还发现，培养在胶原包被的培养皿中的成纤维细胞的形状更圆，周长更短，相比于那些在未涂覆的培养皿中培养的。我们推测，圆细胞的形状，削弱了细胞间的接触相互作用是负责的相干长度的变化。构建了迁移成纤维细胞的一个简单的数学模型，该模型表明，恒定的运动性和较弱的相互作用强度确实会导致相干长度的缩短。
2020-08-10 nlin.PS physics.bio-ph q-bio.CB
Universal features of cell polarization processes
细胞极化在复杂生物体的发育中起着核心作用。最近的研究表明，细胞极化可能是由化学反应的网络中的相分离不稳定性引起的。一个已经被彻底研究的例子是真核细胞趋化过程中信号结构域的形成。在这种情况下，域增长的过程可以通过使用受约束的时间依赖的朗道-金兹伯格方程来描述，允许尺度不变的解决方案{ \textit{à la} } Lifshitz和Slyozov。这里的约束结果从细胞溶质，非活性状态和膜结合，活性状态之间的分子的快速循环的机制，其动态地调整膜结合的化学势的值对应于细胞膜上的不同相的共存。我们在这里提供了一个通用的描述，这个过程中存在和不存在的梯度在外部激活场。通用的幂律推导出的细胞在趋化梯度中，并为最小的可检测梯度的值所需的时间。我们还描述了一个具体的实现，我们的计划的基础上分析可用的生化和生物物理数据。
2008-10-30 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Mesoscale computational studies of membrane bilayer remodeling by curvature-inducing proteins
生物膜构成细胞和细胞器的边界。原子尺度的物理化学机制取决于蛋白质-脂质相互作用强度、脂质组成、蛋白质附近的脂质分布、蛋白质的形状和氨基酸组成及其氨基酸含量。分子间相互作用的特异性和多种蛋白质的协同性在介观尺度上诱导并稳定了复杂的膜形状。这些形状跨越了从球形质膜到高尔基体复杂池的广泛范围。绘制蛋白质诱导的变形在分子尺度和由此产生的介观形态之间的关系是跨越各种长度尺度的细胞实验的关键。在这篇综述中，我们专注于理论和计算方法来理解的现象背后的蛋白质驱动的膜重塑。这里讨论的一套方法可以定制的应用程序在特定的细胞环境中，如货物运输和迁移细胞中的丝状伪足结构的tuberase过程中的内吞作用，这使得这些方法的实验研究的有力补充。
2015-10-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
