The nanomorphology of cell surfaces of adhered osteoblasts
活细胞的功能与纳米尺度的亚基有着内在的联系。在成骨细胞的情况下，细胞表面对粘附和铺展起着特别重要的作用，粘附和铺展是骨植入物的关键特性。在这里，我们提出了一个全面的三维纳米形态学的生活以及固定成骨细胞使用扫描离子电导显微镜（SICM），这是一种nanoprobing方法，在很大程度上避免力的表征。观察到动态皱褶，表现为特征性膜突起。它们有助于整体表面的粗糙度，我们系统地研究通过引入相对的3D多余面积作为投影粘附面积的函数。在分析玻璃和胺覆盖表面上的~40个不同细胞后，发现了明显的负相关性。在板状伪足的边缘观察到特征边缘高度在100 nm和~300 nm之间。膜波动的功率谱密度显示在活成骨细胞上超过-2的频率依赖性衰减指数。我们讨论了顶膜功能和波动动力学的能力，在帮助评估的粘附和迁移性能的单细胞的基础上。
2020-11-27 physics.bio-ph
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
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
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
A minimal physical model for curvotaxis driven by curved protein complexes at the cell's leading edge
本文提出含弯曲膜蛋白复合物的极简细胞模型，揭示膜-基底黏附与蛋白复合物结合能最小化如何驱动曲率趋向性，并经多种细胞实验验证。
2023-04-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
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
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
Rotational migration in human pancreatic ductal organoids depends on actin and myosin activity
本文建立人胰腺导管类器官模型，通过活体成像、核追踪与药物抑制，证明其持续旋转迁移依赖肌球蛋白活性、肌动蛋白聚合及分支。
2025-09-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
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
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
Coherent Turning Behaviors Revealed Across Adherent Cells
本研究针对黏附细胞迁移中研究较少的转向模式，开发了定量分离转向的方案，发现转向时细胞为恒速随机转向的转子、趋性运动时转向偏向刺激源，其转向由确定性角速度调控，澄清了黏附细胞迁移的双峰运动学特征。
2025-05-22 physics.bio-ph
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
Amoeboid cell migration and shape dynamics driven by actin polymerization
Univ. Grenoble Alpes, CNRS, LIPhy（格勒诺布尔阿尔卑斯大学、法国国家科学研究中心、物理实验室）；Centre national d’études spatiales (CNES)（法国国家空间研究中心）
本文提出了一种最小的活性壳模型，用于描述变形虫细胞的迁移和形状动力学，展示了由肌动蛋白聚合引起的逆向流驱动的持续定向迁移以及多种动态状态的涌现，揭示了非平衡活物质中非线性行为的通用原理。
2026-05-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Velocity alignment leads to high persistence in confined cells
许多细胞类型在二维基底上显示随机运动性，但当被限制在微通道或粘附性微图案上时，持续地在单个方向上爬行。这是否意味着受限细胞的运动机制与非受限细胞的运动机制有根本的不同？我们认为，自由和受限的细胞迁移可以描述为一个通用的细胞模型为“速度对齐”的活性布朗粒子先前提出的解决一个完全独立的问题，集体细胞迁移。我们的模型可以映射到一个扩散逃逸的障碍和解析求解，以确定细胞的取向分布和复极率。在准一维约束，速度对齐细胞保持其方向的时间，可以是指数大于其持续时间在没有约束。我们的研究结果表明，一个重要的新的连接之间的单个和集体细胞迁移：高持久性在密闭的细胞对应于快速对齐的速度，细胞间的力量。
2014-05-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Elastic interactions compete with persistent cell motility to drive durotaxis
本研究提出一个结合弹性形变介导的细胞-基底相互作用与细胞迁移随机性的单细胞趋硬性唯象模型，揭示了牵引诱导的边界相互作用与细胞运动持久性共同决定细胞在边界处的积累或耗尽，并预测了趋硬性、无趋硬性和运动诱导积累三种相态。
2024-12-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
The Motile-Units model: Interacting spins model of cell polarization and motility
Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）
该研究提出运动单元模型，用离散自旋模拟细胞极化与运动，通过极性线索产生自推进，展现三种动力学相，并整合外部线索，为细胞迁移提供新框架。
2026-09-18 physics.bio-ph
Emergence of collective propulsion through cell-cell adhesion
驱动细胞集体运动的机制仍然知之甚少。为了解决这个问题，我们建立了一个模型，从理论上探讨极化细胞间粘附在集体细胞迁移中的可能作用。该模型由具有极化细胞-细胞粘附的阿米巴细胞组成，其由细胞运动的正反馈控制。这个模型细胞没有持续的推进力，因此在隔离时表现出简单的随机行走。然而，在高密度下，这些细胞获得集体推进并形成有序的运动。这一结果表明，细胞-细胞粘附具有潜在的功能，诱导持久的集体推进。
2017-08-31 physics.bio-ph
Persistence-Speed Coupling Enhances the Search Efficiency of Migrating Immune Cells
免疫细胞在人体内的迁移使它们能够实现检测病原体的主要功能。这些细胞采用最佳导航和搜索策略对于实现有效的免疫应答至关重要。在我们的体外实验中分析树突状细胞的动力学表明，这些细胞的定向持久性与它们的迁移速度高度相关，并且持久性-速度耦合使迁移细胞能够减少它们的搜索时间。我们从理论上介绍了一类新的随机搜索优化问题，通过最小化的平均首次通过时间（MFPT）相对于有影响力的参数，如速度和持久性长度之间的耦合强度。我们推导出一个解析表达式的MFPT在一个封闭的几何形状，并验证相关的运动提高了搜索效率，如果平均持久性长度是足够短的限制大小。相反，正的持续时间-速度相关性甚至在长持续时间范围内增加MFPT，因此，这种策略对于高持续性活性剂是不利的。
2020-06-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
Tracking collective cell motion by topological data analysis
通过修改和校准的活动顶点模型的实验，我们数值模拟了一个汇合的细胞单层上的一个空的空间和碰撞的两个单层的不同的细胞在拮抗迁移试验。细胞受到惯性力和主动力的影响，主动力试图使它们的速度与相邻细胞的速度保持一致。在协议与实验，扩展测试表现出手指形成的移动接口，在速度场的漩涡，极性序参量和相关性和漩涡长度随时间的增加。正如最近的实验所观察到的那样，组织内部的细胞比界面处的细胞面积更小。在拮抗性迁移测定中，流体样Ras细胞群体侵入分别具有高于和低于几何临界值的形状参数的野生型固体样细胞群体。细胞混合或分离取决于不同细胞之间的连接张力。我们重现实验观察到的拮抗迁移试验，假设一部分细胞有利于混合，其他分离，这些细胞是随机分布在空间中。为了以自动方式表征和比较细胞类型之间的界面结构或扩散细胞单层的界面结构，我们将拓扑数据分析应用于实验数据和数值模拟。我们使用时间序列的数值模拟数据自动分组，跟踪和分类的细胞聚集体的推进接口的瓶颈或Wasserstein距离的持久同源性。这些拓扑数据分析技术是可扩展的，可用于涉及大量数据的研究。除了应用于伤口愈合和转移性癌症外，这些研究还与组织工程、材料的生物学效应、组织和器官再生有关。
2020-09-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Proliferation-driven mechanical feedback regulates cell dynamics in growing tissues
本文通过二维生长组织的智能体模拟，揭示应力介导的增殖反馈如何调控从堵塞到超扩散的细胞动力学，并证明组织生长指数与细胞迁移指数成正比。
2024-05-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Distinct Speed and Direction Memories of Migrating Dendritic Cells Diversify Their Search Strategies
该研究通过分析树突状细胞迁移数据，发现细胞的方向记忆和速度记忆具有不同幂律衰减特征，并利用数值模拟证明优化速度记忆可将搜索时间减少多达10%，从而揭示迁移细胞通过方向或速度持续性及速度-方向相关性在拥挤环境中提高搜索效率的机制。
2022-09-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
