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
Polarized interfacial tension induces collective migration of cells, as a cluster, in a three-dimensional tissue
细胞在三维(3D)组织中集体迁移为簇,例如在胚胎发生和癌症侵袭中。在这里,使用3D顶点模型的数值模拟表明,极化的界面张力,表达细胞粘附和皮层收缩,诱导在3D空间中的集群迁移。其机制是极化界面张力诱导细胞-细胞界面在整个簇内由前向后定向流动,产生驱动力,即,细胞通过简单地扩展和收缩细胞-细胞边界而作为簇向前移动。
2021-04-27 physics.bio-ph q-bio.CB
Sense and sensitivity: physical limits to multicellular sensing, migration and drug response
转移是一个细胞迁移的过程,可以是集体的,并由化学线索引导。以这种方式看待转移,作为一种物理现象,允许人们从细胞生物学中的集体感知和迁移的其他研究中汲取见解。在这里,我们回顾了最近的进展,在研究细胞传感和迁移的集体现象,包括在转移细胞的背景下。我们描述了简单的物理模型,产生的限制,细胞传感的精度,我们审查的实验证据表明,细胞在这些限制。集体迁移模型进行调查,以了解如何集体转移性侵袭可能发生。最后,我们将细胞的感觉能力与它们对药物的敏感性进行了对比,并提出了基于细胞死亡的癌症疗法的潜在替代方案。
2016-03-09 physics.bio-ph q-bio.CB
Geometry-sensitive protrusion growth directs confined cell migration
本文提出细胞突起与细胞核的几何依赖性耦合机制,解释受限环境中的定向迁移,并通过模型与实验揭示了细胞在不同宽度通道间的决策规律。
2023-12-01 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.SC
Emergence and Persistence of Collective Cell Migration on Small Circular Micropatterns
漩涡的自发形成是集体细胞活动的标志。在这里,我们研究的发病率和持久性的相干角运动(CAMo)作为一个功能的细胞数量$N$局限于圆形微图案。我们发现,CAMo的持久性增加与$N$,但表现出明显的不连续性伴随着几何重排的细胞的配置包含一个中央细胞。基于广义Potts模型的计算机模拟再现了涡旋态的出现,并与实验一致地表明,它们的稳定性取决于相邻细胞的空间排列和内部极化的相互作用。因此,不同的迁移状态在有限大小的合奏揭示了显着的洞察当地的相互作用规则指导集体迁移。
2015-05-19 physics.bio-ph q-bio.CB
Coordinates in low-dimensional cell shape-space discriminate migration dynamics from single static cell images
该研究分析大量体外二维细胞迁移图像,发现细胞形状变化空间仅6维,单张静态图像在其中的坐标即可判别迁移行为,并揭示其源于持续性迁移的时空协调突起、收缩及形状空间分布特征。
2023-09-28 physics.bio-ph q-bio.CB
One-dimensional collective migration of a proliferating cell monolayer
胚胎发生和组织修复过程中集体细胞迁移的重要性要求对基本原理和机制有充分的理解。在这里,我们解决最近在体外细胞单层实验表明,前沿的进步依赖于细胞增殖和组织边缘的扩散活性。在一个易于详细分析的简单粘弹力学模型中,我们确定了负责组织扩张的关键参数,并确定了单层速度与可测量流变参数的关系。我们的研究结果使我们能够讨论所观察到的组织动力学的药理学扰动的影响。
2016-01-04 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.QM
The role of vimentin in regulating cell-invasive migration in dense cultures of breast carcinoma cells
细胞迁移和力学是由各种细胞骨架网络的整合活动紧密调节的。在癌细胞中,细胞骨架调节与组织完整性的丧失和侵袭性表型的获得有关。例如,在上皮癌中,细胞骨架丝蛋白波形蛋白的表达增加与转移潜能相关。尽管如此,波形蛋白影响细胞运动的确切机制仍然知之甚少。在这项研究中,我们测量了波形蛋白表达对高度侵袭性乳腺癌细胞系MDA 231的机械弹性和迁移特性的影响。我们在这里证明,波形蛋白僵硬的细胞,并提高细胞迁移在密集的文化,但施加很少或没有影响的迁移稀疏铺板的细胞。这些结果表明,细胞-细胞相互作用在调节细胞迁移和协调细胞在密集培养中的运动中起着关键作用。我们的研究结果为在生物学相关背景下理解细胞迁移和力学之间的关系铺平了道路。
2017-10-07 physics.bio-ph q-bio.CB
Broad-tailed force distributions and velocity ordering in a heterogeneous membrane model for collective cell migration
相关的速度模式和相关的大长度尺度传输的牵引力已被观察到集体活细胞迁移作为一个响应的“伤口”。我们认为,一个简单的物理模型的力驱动的异质弹性膜滑动的粘性基板可以定性地解释一些实验观察到的事实:(i)增长的速度排序蔓延从伤口边界到内部,(ii)指数尾部的牵引力分布,和(iii)在组织的内部的速度的漩涡图案。
2012-03-20 cond-mat.soft 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
Collective cell migration without proliferation: density determines cell velocity and wave velocity
集体细胞迁移有助于胚胎发生、伤口愈合和肿瘤转移。细胞单层迁移实验有助于理解是什么决定了细胞远离前沿的运动。抑制细胞增殖限制细胞密度的增加,并防止堵塞,我们观察到长时间的迁移和量化的时空特性的速度分布在大的长度和时间尺度。速度波向后传播,其频率仅取决于移动前沿的细胞密度。无论到前缘的距离如何,单元平均速度和波速都随单元有效半径线性增加。抑制板状伪足降低细胞速度,而波消失或具有较低的频率。我们的模型结合了守恒定律,单层力学性质和应变和极性之间的现象学耦合:前进的细胞拉他们的追随者,然后成为极化。在合理的参数值下,该模型与我们的几个实验观察结果一致。总之,我们的实验和模型解开各自的贡献,积极的速度和增殖单层迁移,解释细胞如何保持其极性远离移动的前沿,并突出的重要性,应变极性耦合和密度在远程信息传播。
2018-03-23 physics.bio-ph q-bio.TO
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
Bursts of activity in collective cell migration
致密的单层活细胞显示出有趣的弛豫动力学,让人想起接近堵塞过渡的柔软玻璃状材料,并在空间可用时集体迁移,如伤口愈合或癌症侵袭。在这里,我们表明,集体细胞迁移发生在突发的裂缝,多孔介质中的流体前沿和铁磁畴壁的传播中记录的那些类似。与这些系统类似,活性爆发的分布显示出在不同细胞类型和在不同基质上移动的细胞中通用的标度律。入侵动力学的主要特点是定量捕获的相互作用的活性粒子在一个无序的景观移动的模型。我们的研究结果表明,活细胞的集体运动类似于相应的动力学驱动,但无生命的系统。
2016-10-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Theory of cell size regulation during migration in adhered cells
本文提出一个极简理论框架,将细胞尺寸与膜电位及肌动蛋白力关联,揭示尺寸影响迁移速度的机制,并解释了中性粒细胞实验。
2025-05-27 physics.bio-ph
Phase-Field Modeling of Border Cell Cluster Migration in Drosophila
本文建立生物物理相场模型并提出TIM力,模拟果蝇卵室边界细胞团迁移,揭示接触界面推进、切向运动及弱化学线索诱导背部转向等机制。
2025-08-13 physics.bio-ph q-bio.CB
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
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
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
Chemotactic smoothing of collective migration
集体迁移--许多自我推进的代理人的定向、协调运动--是活性物质所表现出的一种迷人的涌现行为,对生物系统具有关键的功能意义。广泛的研究已经阐明了这种现象可能出现的不同方式。然而,当一个群体面临在复杂环境中不可避免地出现的扰动时,集体移徙如何能够持续下去,人们知之甚少。在这里,通过结合实验和模拟,我们描述了一种机制,集体迁移人口平滑大规模的扰动,在他们的整体形态,使他们的成分继续迁移在一起。我们专注于典型的例子,大肠杆菌的趋化性迁移,其中细胞的正面移动通过定向运动,或趋化性,在响应一个自我生成的营养梯度。我们确定了两种不同的模式,其中趋化性影响人口的形态:细胞在不同的位置沿前线迁移在不同的速度,由于空间变化(i)在当地的营养梯度和(ii)的能力,细胞感测和响应当地的营养梯度。虽然第一种模式是不稳定的,但第二种模式是稳定的,并占主导地位,最终推动总体人口的平稳发展,并使集体移民得以持续。这个过程是自主的,不需要任何外部干预;相反,它是个体细胞接收外部信号的方式的群体规模的结果。因此,我们的研究结果提供了见解,预测,并可能控制,集体迁移和形态的细胞群和各种其他形式的活性物质。
2021-01-12 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
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
A statistical-inference approach to reconstruct inter-cellular interactions in cell-migration experiments
细胞的迁移可以通过两种典型的运动类型来表征:个体迁移和集体迁移。我们提出了一种新的推理方法,旨在检测细胞运动实验中引起集体行为的细胞-细胞相互作用的存在。这种推理方法首先在合成运动数据上成功地进行了测试,然后应用于两个实验。在第一个实验中,细胞在伤口愈合模型中迁移:当应用于该实验时,推理方法预测细胞间相互作用的存在,正确地反映了实验中存在的强细胞间接触。在第二个实验中,树突状细胞以趋化因子梯度迁移。我们的推理分析没有提供相互作用的证据,表明细胞通过独立地感测趋化因子源而迁移。根据这一预测,我们推测成熟的树突状细胞忽略了细胞间的信号,否则可能会延迟它们到达淋巴管。
2019-12-04 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Cell clusters sense their global shape to drive collective migration
该研究揭示细胞团通过外周细胞极化和纯机械性的形状感知机制驱动集体迁移,该机制可独立于外部信号并逆转集体硬度趋性,为细胞团形状与运动的工程控制提供物理框架。
2025-09-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Shannon Entropy for Time-Varying Persistence of Cell Migration
细胞迁移在许多生理和病理过程中起着至关重要的作用,细胞内信号通路(ICSP)和细胞外基质(ECM)可以显著影响细胞迁移。细胞迁移的效率通常被建模为持续随机游走(PRW),其取决于两个关键的运动参数,即,迁移速度和持久性。从有噪声的实验数据中有效准确地提取这些关键动力学参数通常是非常具有挑战性的。在这里,我们采用归一化的香农熵来量化细胞迁移动力学从扩散/弹道运动的偏差,以及基于迁移速度的傅立叶功率谱推导出细胞迁移的持久性。此外,我们引入了基于小波功率谱的细胞动力学的时变香农熵,并证明了其优越的效用来表征细胞迁移的时间依赖性持久性,这通常是由于复杂的和时变的细胞内或细胞外的机制。我们采用我们的方法来分析由不同的细胞内和细胞外机制调节的体外细胞迁移的轨迹数据,表现出丰富的动态特性。分析表明,Shannon熵和小波变换的结合为判断细胞迁移的持续性提供了一种简单有效的工具,并在一定程度上反映了ICSP-ECM的实时性。
2020-11-23 physics.bio-ph
Cell migration: Beyond Brownian motion
本文以观点文章形式简要综述细胞迁移的随机建模,并重点评述Klimek等人发表于Biophys. J. 2024年的相关工作,指出其超越传统布朗运动描述的意义。
2024-05-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Tractions and stress fibers control cell shape and rearrangements in collective cell migration
集体细胞迁移的关键是细胞相对于其邻居重新排列其位置的能力。最近的理论和实验表明,细胞形状促进了细胞重排,具有更长形状和更大周长的细胞更容易滑过细胞层内的相邻细胞。虽然人们认为细胞周长主要由皮质张力和每个细胞周边的粘附力控制,但对这一假设的实验测试产生了相互矛盾的结果。在这里,我们研究了集体细胞迁移在上皮单层测量力,细胞周长,和运动,并发现所有三个减少无论是增加细胞密度或抑制细胞收缩。与以前的理解相反,这些数据表明,细胞的形状和重排不是由皮质张力或细胞周边的粘附力控制的,而是由在细胞-基质界面产生牵引力的应力纤维控制的。一项实验证实了这一发现,该实验表明,增加牵引力会逆转密度对细胞形状和重排的影响。因此,我们的研究通过建立细胞基质牵引作为控制集体细胞迁移中细胞形状和运动的主要物理因素,减少了对细胞外周的关注。
2019-12-13 physics.bio-ph
Collective effects in flow-driven cell migration
针对高细胞密度下自体趋化失效的问题,提出细胞形成集体感知单元的机制,经物理模型和蒙特卡洛模拟验证,细胞簇趋化表现优于单细胞,且仅需细胞普遍具备的能力。
2023-05-05 physics.bio-ph
Effects of cell-cell adhesion on migration of multicellular clusters
细胞集合在形态发生、癌症转移和伤口愈合期间表现出连贯的迁移。在许多情况下,较大的星系团分裂,较小的子星系团碰撞和重组,间隙不断出现。细胞水平粘附和集群水平动态之间的联系,以及对集群特性(例如迁移速度)产生的后果仍然知之甚少。在这里,我们调查集体迁移的一维和二维的细胞簇,集体跟踪化学梯度使用的机制的基础上接触抑制运动。我们开发了一个最小的描述统计物理的格子气模型的基础上,和一个更现实的框架的基础上的细胞Potts模型,捕捉细胞形状的变化和集群重排。在这两种情况下,我们发现,细胞具有最佳的粘附强度,最大限度地提高集群迁移速度。最佳的谈判保持细胞间的接触和保持集群的流动性之间的权衡,我们确定最大的变化,在集群的纵横比作为一个揭示签名。我们的研究结果表明,中间细胞-细胞粘附的集体效益。
2020-07-09 physics.bio-ph
From jamming to collective cell migration through a boundary induced transition
细胞单层提供了一个有趣的活性物质的例子,随着年龄的增长,它们表现出从流动到堵塞状态的相变。在这里,我们报告的实验和数值模拟说明如何堵塞的细胞层迅速恢复到流动状态后,伤口。实验和模拟之间的定量比较表明,细胞改变其自推进和膨胀强度,使系统越过一个相变线,我们表征的活性粒子模型中的有限尺寸标度。发现这种伤口诱导的解除干扰的转变一般发生在上皮细胞、内皮细胞和癌细胞中。
2018-02-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
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
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
Single-Cell Trajectory Reconstruction Reveals Migration Potential of Cell Populations
本文提出一种结合小波变换与OU过程功率谱拟合的单细胞轨迹重建方法,用于分析迁移的统计与时变特性,揭示了Arpin蛋白缺失增强盘基网柄菌迁移潜力及动态指标的周期性现象与迁移潜力的关联。
2025-04-10 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
Boundary-contact repolarization provides a mechanism for directional guidance of neural crest cell collectives
Purdue University(普渡大学)
该研究通过计算模型揭示,神经嵴细胞与限制边界的接触介导再极化,结合自生成化学信号,可引导其集体定向迁移,为相关发育缺陷及癌症侵袭调控提供依据。
2026-10-12 physics.bio-ph
Collective epithelial migration mediated by the unbinding of hexatic defects
该研究构建连续介质理论,结合模拟证实上皮细胞集体迁移中的细胞嵌入通过六方相拓扑缺陷解离实现,阐明了相关细胞力结构并解释了体外上皮层的拉伸活性。
2025-10-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
Periodic migration in a physical model of cells on micropatterns
我们扩展了爬行真核细胞的形态和动力学模型来描述微图案化基底上的细胞。该模型将细胞形态、粘附和细胞骨架流动耦合起来,以响应肌动蛋白和肌球蛋白诱导的主动应力。我们建议,膨胀应力只产生在细胞粘附,导致细胞的有效限制的模式。与实验结果一致,模拟细胞表现出广泛的行为,包括稳定运动,转向,双足运动和周期性迁移,其中细胞在周期性逆转之前持续地在一个方向上爬行。我们表明,周期性运动自然出现的细胞极化细胞形状的耦合,通过减少模型简化的一维形式,可以理解的分析。
2013-10-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Curvature induces active velocity waves in rotating multicellular spheroids
不同系统的多细胞组织,如胚胎、肠道和肿瘤,依赖于细胞在3D弯曲环境中的协调迁移。在这些环境中,细胞建立超细胞运动模式,包括集体旋转和入侵。虽然这种集体模式在2D平面系统中越来越好地理解,但在3D弯曲组织中集体细胞迁移的几何和拓扑约束的后果在很大程度上是未知的。在这里,我们研究3D集体迁移乳腺细胞球体,这是一个共同的和概念上简单的弯曲几何形状。我们发现,这些旋转的球体表现出集体模式的细胞迁移的形式,沿着赤道传播的速度波的波长等于球体周长。这种波伴随着不可压缩的细胞流的模式,整个球体表面具有拓扑缺陷,如封闭的球形拓扑所示。使用一个最小的活性粒子模型,我们揭示了这种集体模式起源于一个细胞层局限于一个弯曲的表面的积极植绒行为。因此,我们的研究结果确定曲率诱导的速度波作为集体细胞迁移的通用模式,这可能会影响三维弯曲组织的动态组织。
2021-10-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
Collective migration and topological phase transitions in confluent epithelia
本文研究融合上皮组织中集体迁移的拓扑相变机制,通过细胞分辨模型、数值模拟与重正化群分析,揭示活性驱动熔化相变特征及T1/T2过程对相变的调控作用,为理解集体细胞行为提供理论基础。
2025-02-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Modes of Mechanical Guidance of Adhesion-Independent Cell Migration
TU Bergakademie Freiberg(弗莱贝格工业大学);Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems(马克斯·普朗克复杂系统物理研究所);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);Universitat de Barcelona(巴塞罗那大学);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);HTW Dresden(德累斯顿应用技术大学)
本文提出了一种相场模型,用于研究机械信号如何引导非黏附细胞的迁移行为,揭示了主动表面动力学在细胞运动中的作用。
2026-01-05 physics.bio-ph
Anomalous diffusion on dynamical networks: A model for interacting epithelial cell migration
我们提出了一个细胞迁移模型,上皮细胞能够检测到其他细胞的轨迹,并试图跟随它们。当细胞在2D细胞培养中移动时,它们通过释放细胞质的微小部分来标记它们的路径。任何在其他细胞之前移动过的表面上移动的细胞都面临着一个细胞轨迹网络,它试图将其运动限制在该网络上。利用经典热力学的Tsallis修正,可以求解相应的Fokker-Planck方程,得到实验上可检验的分布函数。我们比较了正常乳腺上皮细胞和细胞的实验数据,这些细胞已被遗传操作,以改变它们的细胞-细胞相互作用的程度。
2002-08-20 cond-mat physics.bio-ph q-bio
Spontaneous Spatiotemporal Ordering of Shape Oscillations Enhances Cell Migration
细胞的迁移与诸如形态发生、伤口愈合和癌细胞侵袭的过程相关。为了移动,单个细胞周期性地变形。然而,还不清楚这些形状振荡如何影响集体性质。在这里,我们证明,使用数值模拟,定向运动,形状振荡和排除体积的相互作用,使细胞能够局部“同步”他们的运动,从而提高集体迁移。我们的模型捕捉了由内部时钟控制的具有固定周期的爬行变形细胞的伸长和收缩,模仿生物细胞的内部周期。我们发现,形状振荡是至关重要的局部重排,诱导相邻细胞之间的内部时钟的顺序,即使在没有信号和正规化。我们的发现揭示了一种新的纯物理机制,通过这种机制,细胞的内部动力学影响它们的集体行为,这与众所周知的机制如趋化性、细胞分裂和细胞-细胞粘附不同。
2019-01-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
How cytoskeletal crosstalk makes cells move: bridging cell-free and cell studies
本文综述了肌动蛋白、微管和中间丝之间的物理与生化串扰如何协调细胞骨架力学特性以驱动细胞迁移,并通过对比活细胞(自上而下)与无细胞体系(自下而上)两种互补研究方法,提出桥接两种视角以解答细胞骨架串扰如何使细胞运动的核心问题。
2024-01-16 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
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
A cell membrane model that reproduces cortical flow-driven cell migration and collective movement
该研究提出一种二维离散细胞膜模型,通过力平衡下的极性依赖表面张力驱动表面流动,重现单细胞及细胞团的皮层流驱动迁移与旋转,且结果与连续模型解析值吻合,为研究细胞集体迁移力学机制提供新工具。
2023-07-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Regulation of Migration of Chemotactic Tumor Cells by the Spatial Distribution of the Collagen Fibers' Orientation
胶原纤维是细胞外基质(ECM)的重要组成部分,可以抑制和促进细胞迁移。{ \it体外}研究表明,纤维的方向对细胞侵袭至关重要,而{ \it体内}研究已导致肿瘤相关胶原标记(TACS)的发展,作为一个重要的预后因素。研究细胞侵袭的生物物理调节和纤维定向的影响不仅可以加深我们对这一现象的理解,而且有助于对TACS进行准确的分类,这是目前缺乏的。我们提出了一个随机模型的随机/趋化性迁移的细胞在纤维ECM,并研究在它的各种因素的作用。该模型提供了一个框架,为第一次,我们的知识,定量分类的TACS,并再现定量最近的实验数据细胞运动。它还表明,迄今为止被忽视的纤维取向的空间分布和它们之间的扩展相关性以及细胞运动的动力学都有助于调节细胞的侵袭长度,这代表了转移风险的量度。虽然纤维的取向对随机运动的细胞影响很小,但它们对趋化细胞的影响是完全不平凡的,也是我们在本文中研究的。
2019-06-18 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
Collective chemotaxis through noisy multicellular gradient sensing
在许多生物学过程中,如形态发生和癌症转移,都发生了响应化学信号的集体细胞迁移。这些系统中的迁移细胞簇能够响应跨细胞长度的化学浓度差异小于1%的梯度。多细胞系统对它们的环境极其敏感,虽然多细胞传感的限制正在变得众所周知,但这些信息如何导致连贯的迁移仍然知之甚少。我们开发了一个多细胞传感和迁移的计算模型,其中细胞组集体测量嘈杂的化学梯度。感测过程的输出耦合到单个细胞极化以模拟迁移行为。通过使用数值模拟,我们发现,较大的集群的细胞检测的梯度方向具有更高的精度,从而实现更强的极化偏置,但较大的集群也引起更多的集体运动的阻力。这两种效果之间的权衡导致最有效的迁移的最佳集群大小。我们将讨论如何使用简单的现象学实验来验证我们的模型。
2016-07-10 physics.bio-ph
Emergent cell migration from cell shape deformations and T1 transitions
该研究通过多相场模型和活性弹性固体模型揭示T1转变的空间分布依赖于细胞形状且不对称,这种不对称模式能够促进定向细胞迁移并形成组织尺度连贯流动。
2025-02-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
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
Modelling how lamellipodia-driven cells maintain persistent migration and interact with external barriers
该研究在含弯曲活性蛋白的三维囊泡“最小细胞”模型中引入UCSP长程抑制机制,以稳定板状伪足样运动极性,并解释细胞速度、形态、屏障散射和几何约束振荡等动力学。
2024-09-07 physics.bio-ph q-bio.CB