Entropy-driven cell-decision making predicts fluid-to-solid transition in multicellular systems
细胞决策使细胞能够在没有遗传变化的情况下，根据微环境线索呈现功能不同的表型。这是一个悬而未决的问题，如何个别细胞的决定影响在组织水平的动态。在这里，我们研究时空斑图形成在一个人口的细胞表现出表型可塑性，这是一个范例的细胞决策。我们专注于迁移/休息和迁移/增殖的可塑性，这是上皮间质转化（EMT）和去或生长二分法的基础。我们假设细胞改变其表型，以最小化其微环境熵（LEUP：最小微环境不确定原理）和研究的影响LEUP驱动的迁移/休息和迁移/增殖可塑性相应的多细胞时空动态与随机细胞为基础的数学模型的时空动态的细胞表型。在去或休息可塑性的情况下，相应的平均场近似允许识别扩散（流体）和上皮（固体）组织相之间的转换机制，这取决于表型对环境的敏感性。对于去或生长的可塑性，我们表明图灵斑图形成的“固体”组织相的可能性和它的关系与LEUP驱动的细胞决定的参数。
2020-05-06 physics.bio-ph q-bio.CB
Permeation Instabilities in Active, Polar Gels
我们提出了一个理论的活性，渗透，极性凝胶，基于双流体模型。凝胶组分之间的主动相对力产生稳态电流。我们分析了它的稳定性，同时考虑两个极性耦合项的相对电流：一个渗透变形项，它描述了网络变形的溶剂流，和一个渗透对齐项，它描述了网络变形和流动的极化场的对齐。新的不稳定机制出现在有限波矢，表明周期域和中间相的形成。我们的研究结果可用于确定各种类型的跨组织多细胞迁移所需的物理条件。
2022-08-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active gel model for one-dimensional cell migration coupling actin flow and adhesion dynamics
该研究构建了耦合肌动蛋白流与动态黏附的一维细胞迁移最小活性凝胶模型，揭示了黏附负载分担致对称性破缺、中等黏附下迁移双稳态的机制，且状态切换规律与实验定性一致。
2024-07-09 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Migration of chemotactic bacteria in soft agar: role of gel concentration
我们研究了在浓度范围C = 0.15-0.5%（w/v）的半固体（软）琼脂中趋化性野生型大肠杆菌种群的迁移。对于C <0.35%，扩增的细菌菌落显示出特征性的趋化环。然而，在C = 0.35%时，细菌以宽的环形带而不是尖锐的环迁移。这些是生长/扩散波，因为抑制由琼脂的趋化性，并没有以前的实验报告，以我们的知识。对于C = 0.4- 0.5%，扩增菌落不跨越琼脂的深度，并产生明显的前沿不稳定性。在C <0.25%时，迁移前沿速度对琼脂浓度的依赖性较弱，但在此值以上时急剧下降。我们讨论了这些意见，在一个扩展的凯勒-西格尔模型，我们推导出新的传输参数表达式占扰动的趋化反应与琼脂的碰撞。该模型使得有可能适合所观察到的前速度衰减的范围C = 0.15- 0.35%，其解决方案定性地再现所观察到的从趋化性到生长/扩散带的过渡。我们讨论了多孔介质中的细菌的研究和改进的细菌趋化性测定的设计，我们的研究结果的影响。
2011-08-06 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Collective multicellular patterns arising from cadherin-linked cytoskeletal domains
本文提出了一种显式耦合黏附复合物动力学与胞内力学的生物物理模型，揭示了多细胞群体中由钙黏蛋白连接的细胞骨架直接机械耦合所驱动的全局极化、振荡动力学及超细胞应力链等集体模式。
2025-09-16 physics.bio-ph q-bio.CB
Active gel theory for cell migration with two myosin isoforms
本研究利用活性凝胶理论，揭示肌球蛋白亚型A和B在细胞迁移中的互补作用，模型与实验一致，并发现细胞振荡行为，强调亚型特异性分子细节的重要性。
2025-07-10 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
Mechanisms enabling efficient fountain-flow supracellular migration
本研究通过活性凝胶模型揭示，模式化摩擦或簇极化单细胞定向迁移可克服喷泉流超细胞迁移的低效率，实现稳健高效迁移。
2024-03-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechano-lithography: stress anisotropy driven nematic order in growing three-dimensional bacterial biofilms
活的活跃集体已经进化出了非凡的自我模式能力，以满足生长和生存的物理和生物约束。然而，复杂的多细胞模式如何从单个创始细胞中出现仍然是难以捉摸的。在这里，通过求助于一个代理为基础的模型，我们跟踪的三维（3D）形态动力学和细胞取向的琼脂糖凝胶包裹的细菌生物膜生长的顺序。受限生长导致生物膜中的时空异质应力积累。在生物膜的核心处的高流体静力学和低剪切应力促进粘性到弹性的转变并使细胞堆积随机化，而凝胶-细胞界面附近的相反应力状态驱动具有剪切应力松弛所固有的时间延迟的有序化。总体而言，应力各向异性时空一致的密闭生物膜中的有序，这表明各向异性应力驱动的有序机制。应力各向异性和细胞有序性之间的强烈相互作用激发了用于各种环境和生物医学应用的活的活性集体的创新3D机械光刻。
2022-11-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
Role of spatial averaging in multicellular gradient sensing
梯度感应是重要的生物学过程的基础，包括形态发生、极化和细胞迁移。梯度感测的精度随着检测器（细胞或细胞组）在梯度方向上的长度而增加，因为较长的检测器跨越较大范围的浓度值。来自浓度传感分析的直觉表明，精度也应该随着检测器在梯度横向方向上的长度而增加，因为空间平均应该减少噪声。然而，在这里，我们表明，与浓度传感不同，梯度传感的精度随最简单的梯度传感模型，局部激发-全局抑制（LEGI）的横向长度而降低。原因是梯度感测最终依赖于测量的浓度值的减法。虽然空间平均确实减少了这些测量中的噪声，从而提高了精度，但它也减少了测量之间的协方差，从而导致精度的净下降。我们演示了如何最近推出的梯度传感机制，区域激励-全球抑制（REGI），克服了这种影响，并恢复横向平均的好处。使用基于REGI的模型，我们计算出最佳的二维和三维探测器形状，并认为它们与自然发生的梯度感应细胞群的形状是一致的。
2015-12-28 physics.bio-ph q-bio.MN
Mechanobiology of Collective Cell Migration in 3D Microenvironments
肿瘤细胞通过细胞与周围基质之间的机械相互作用介导单独或成组侵入。这些多细胞动力学让人想起组织发育中的领导者-跟随者协调和上皮-间充质转化（EMT），这可能通过相关分子或物理机制的失调而发生。然而，在没有精确测量单细胞行为的情况下，阐明这种表型异质性和可塑性仍然具有挑战性。活细胞成像，生物物理测量和3D生物材料技术发展的融合非常有希望揭示肿瘤细胞如何在异常微环境中合作。在这里，我们从癌症生物学和生物工程的角度强调了集体迁移的新结果。首先，我们回顾了集体细胞迁移的生物学。接下来，我们考虑基于序参量和相变的物理启发分析。此外，我们还研究了集体迁移中新陈代谢和异质性的相互作用。然后，我们审查的细胞外基质，和新的模式，三维生物材料的机械特性。我们还探讨了上皮-间质可塑性和肿瘤进展的影响。最后，我们推测未来的方向，整合机械生物学和癌细胞生物学阐明集体迁移。
2022-06-26 physics.bio-ph q-bio.CB
Size-dependent self-avoidance enables superdiffusive migration in macroscopic unicellulars
本研究通过实验和模型揭示，黏菌多头绒泡菌利用尺寸依赖的自我回避跑停运动实现超扩散迁移，该机制可能为其作为宏观大细胞提供进化优势。
2024-09-19 physics.bio-ph
Chiral edge currents in confined fibrosarcoma cells
在转移性播散期间，细胞流在进入血流之前集体迁移通过细胞外基质内的狭窄通道网络。这种策略被认为优于其他迁移模式，这是基于观察到单个癌细胞可以利用限制来切换到不依赖于粘附的运动形式。然而，这种行为的物理起源仍然难以捉摸，并且在限制下的入侵细胞群体中出现连贯流动的机制目前尚不清楚。在这里，我们证明了人类纤维肉瘤细胞（HT 1080）局限在狭窄的条纹状区域进行集体迁移凭借一种新型的拓扑边缘电流，导致液晶秩序，微观手性和拓扑缺陷之间的相互作用。由于在体外实验和主动流体力学理论相结合，我们表明，而在大部分的通道的异质性和混乱，在有限的人口HT 1080细胞中产生的自发流动沿边缘整流，导致长距离的集体细胞迁移，与破手征对称性。这些边缘电流是由+1/2拓扑缺陷层，正交锚定在通道壁，并作为本地源的手性主动应力。我们的工作突出了多细胞系统中限制和集体迁移之间的深刻相关性，并提出了转移性癌症中定向运动出现的可能机制。
2020-10-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active Gel Model of Amoeboid Cell Motility
我们建立了一个基于活性凝胶理论的变形虫细胞运动模型。建模的真核细胞的能动装置作为一个有限长度的多孔弹性活性凝胶渗透的溶剂的限制层，我们首先表明，由于主动应力和凝胶营业额，一个最初的静态和均匀的层可以经历一个收缩型的不稳定性的极化移动状态，在该状态中，后方是丰富的凝胶聚合物。这同意定性与运动细胞含有肌动球蛋白丰富的尾足在其后方。我们发现，凝胶层解决到一个稳定的移动，在很长一段时间内，维持在收缩性和细丝营业额之间的平衡，不均匀的状态。此外，我们的模型预测的最佳值的凝胶subbstrate粘附导致最大层速度，与细胞运动性测定。该模型可能与细胞在复杂的、限制性的环境中易位的运动性有关，该环境可以通过细胞通过微通道的迁移来实验性地模拟。
2013-02-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
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
A viscous active shell theory of the cell cortex
细胞皮层是质膜下的一薄层，为动物细胞提供机械阻力，并驱动它们的大部分形状变化，从迁移，分裂到多细胞形态发生。它主要由肌动蛋白丝、肌动蛋白结合蛋白和肌球蛋白分子马达组成。这种材料在肌球蛋白马达的不断搅拌下快速更新，可以用粘性和收缩性活性凝胶理论很好地描述。在这里，我们假设皮质是一个薄的粘性壳不可忽略的曲率和使用渐近展开找到的领导阶方程描述其形状动力学，从不可压缩的粘性活性凝胶的本构方程。减少三维方程导致一个Koiter状壳理论，其中拉伸和弯曲率的阻力。本构方程是由一个运动学方程描述的皮质厚度与营业额的演变。我们表明，张力和力矩的结果不仅取决于壳的变形率和电机活动，但也对积极营业额的材料，这也可能会产生收缩或伸展应力。使用有限元方法，我们实现我们的理论数值研究两个生物的例子，细胞形状的急剧变化：渗透冲击和细胞分裂。我们的工作提供了一个薄的主动粘性层的数值实现和一个通用的理论框架，以发展薄的主动生物结构的壳理论。
2022-03-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Collective migration under hydrodynamic interactions -- a computational approach
基于基质的细胞运动性对于基本生物过程，如组织生长、伤口愈合和免疫应答是必不可少的。即使对这种运动模式的全面理解仍然难以捉摸，但在使用全细胞物理模型进行建模方面已经取得了进展。该模型考虑了细胞运动的主要机制-肌动蛋白聚合，底物介导的粘附和肌动蛋白-肌球蛋白动力学，并将其与空间细胞-细胞和流体动力学相互作用相结合。该模型预测了集体细胞迁移的开始，集体细胞迁移是由于邻近细胞的非弹性碰撞而自发出现的。每个细胞在这里建模为一个积极的极性凝胶，是完成两个漩涡，如果它移动。两个细胞的开放碰撞，两个相互靠近的旋涡湮灭。这导致细胞的旋转，并且与每个细胞中肌动蛋白丝的变形和重新定向一起诱导这些细胞的对齐，并导致持续的平移集体迁移。低雷诺数的影响与非流体动力学模型一样强，但随着雷诺数的增加而减小。
2016-05-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Correlated cell movements drive epithelial finger formation
本研究结合体外成像、智能体模拟与连续介质建模，发现相关主动细胞运动即可驱动上皮指状突起形成，先导细胞等仅起调节作用，为该生物过程提供了活性物质物理框架的解释。
2025-08-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Learning developmental mode dynamics from single-cell trajectories
结合模态分解与稀疏动力系统推断，提出从单细胞成像数据学习连续介质模型的计算框架，以斑马鱼早期原肠胚细胞迁移为例，揭示了发育对称性破缺及全胚胎细胞迁移与曲面主动布朗粒子动力学之间的相似性。
2021-12-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
CompuCell3D Model of Cell Migration Reproduces Chemotaxis
本文扩展了基于CompuCell3D的三维单细胞迁移模型，将趋化性建模为复合过程，并提出多种度量方案，发现极化稳定性与趋化效率存在权衡，为多细胞集体迁移模拟奠定基础。
2023-12-01 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
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
Diversity in emergent cell locomotion from the coupling cytosolic and cortical Marangoni flows with reaction-diffusion dynamics
该研究开发了整合反应扩散信号与胞质及皮层流体力学耦合的跨尺度平均场框架，重现了多种细胞运动表型，揭示了胞质流与表面张力耦合对运动模式完整谱系的必要性，为变形虫运动提供了理论基础。
2025-11-01 physics.bio-ph physics.comp-ph
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 practical review on the measurement tools for cellular adhesion force
细胞与细胞基质的粘附是所有多细胞生物体的基础。它们在细胞生长、分化、斑图形成和迁移中起关键作用。细胞-细胞粘附在免疫应答、病原体宿主相互作用和肿瘤发展中是重要的。组织工程和干细胞移植的成功很大程度上取决于活细胞在天然或仿生支架表面粘附的精细控制。因此，活细胞粘附强度的定量和精确测量不仅在基础研究中而且在现代技术中也是至关重要的。已经开发或正在开发几种技术来量化细胞粘附。所有这些方法都有其优点和缺点，在进行实验和解释记录数据之前必须仔细考虑。目前的审查提供了一个指南，以选择适当的技术来回答一个特定的生物学问题，或通过测量细胞粘附完成生物医学测试。
2019-05-29 physics.bio-ph
Extracellular Matrix regulates the morphodynamics of 3D migrating cancer cells
细胞的形状与细胞的功能有关。细胞形态动力学的意义，即细胞形状的时间波动，了解得少得多。在这里，我们研究了MDA-MB-231细胞在I型胶原细胞外基质（ECM）中的形态动力学。我们通过调节胶原蛋白浓度、排列和凝胶化温度来系统地改变ECM的物理性质。我们发现，三维迁移细胞的形态动力学外部控制ECM力学和内部调制的Rho信号。我们采用机器学习将细胞形状分类为四种不同的形态表型，每种表型对应于不同的迁移模式。因此，我们在中尺度映射到形态表型的时间演变的细胞形态动力学。我们表征了中尺度动力学，包括发生概率，停留时间和过渡矩阵在不同的ECM条件下，这表明了复杂的表型景观和表型转换的最佳途径。在光的中尺度动力学，我们表明，三维癌细胞运动是一个隐藏的马尔可夫过程，其中的步长分布的细胞迁移与同时细胞形态动力学。我们还表明，形态表型转变促进癌细胞导航不均匀的ECM，如穿越两个不同的微观结构的基质之间的界面。总之，我们证明了三维迁移癌细胞表现出丰富的形态动力学，这是由ECM力学，Rho信号，并与细胞运动密切相关。我们的研究结果为正常和恶性细胞的细胞形态动力学的功能理解和机械编程铺平了道路。
2021-10-08 physics.bio-ph q-bio.CB
