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
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
Fluidization in Growth-Induced Morphogenesis
Worcester Polytechnic Institute（伍斯特理工学院）
本文提出流化生长-弹性模型，揭示组织流变性在压缩下促进对称性破缺并调节应力，使形态发生连续发展，并控制从平滑起伏到局部凹陷的流动模式。
2026-09-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Active shape control by plants in dynamic environments
本研究针对植物响应重力与本体感受刺激的主动形状控制问题，采用形态弹性模型分析不同旋转速度下两种刺激的共同作用，发现通用平面收敛形状与三维动态平衡态，揭示轴向生长的稳定效应，为活性材料形状控制提供新依据。
2023-09-16 physics.bio-ph
Elongation and shape changes in organisms with cell walls: a dialogue between experiments and models
各向异性形状的产生发生在几乎所有生物的形态发生过程中。随着最近更新的兴趣在机械方面的形态，它已经变得很清楚，力学有助于各向异性的形式在一个微妙的相互作用与各种分子演员。在这里，我们考虑植物，真菌，卵菌，和细菌，我们审查的机制，细长形状的产生和维持。我们专注于增长和力学之间的相互作用的理论模型，与实验数据，并讨论如何模型可以帮助我们提高我们对潜在的生物机制的理解。
2018-04-17 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
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
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
Cytoplasmic Streaming in Plant Cells Emerges Naturally by Microfilament Self-Organization
许多细胞表现出其全部液体内容物的大规模活跃循环，这一过程称为细胞质流动。这种现象在植物细胞中特别普遍，通常呈现出惊人的规则流动模式。这种细胞的驱动机制是已知的：肌球蛋白包被的细胞器在沿着固定在外周的肌动蛋白丝束加工时夹带细胞质。然而，仍然未知的是发展过程中，建设有序的肌动蛋白配置所需的连贯细胞规模的流动。以前的实验工作流再生的细胞中的Characean藻类，其纵向流动可能是最受管制的所有，暗示在一个自主的过程中的微丝自组织驱动流模式的形成在形态发生。从第一原则工作，我们提出了一个强大的模型流出现，结合电机动力学与微观和宏观流体力学来解释如何几个独立的过程，每个无效的自己，可以加强最终发展的模式流中观察到的植物和其他流物种。
2013-08-29 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
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
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
Variational methods and deep Ritz method for active elastic solids
变分方法在软物质物理中被广泛应用于静态和动态问题。这些方法主要基于两个变分原理：最小自由能变分原理（MFEVP）和Onsager的变分原理（OVP）。我们的兴趣在于这些变分方法的应用，活性物质物理。在我们以前的工作[软物质，2021，17，3634]中，我们探索了基于OVP的变分方法在活性物质动力学建模中的应用。在目前的工作中，我们探索变分（或能量）方法，是基于MFEVP的静态问题，在主动弹性固体。我们表明，MFEVP不仅可以用来推导平衡方程，但也发展近似的解决方案，如里兹方法，主动固体静力学。此外，如果我们使用深度神经网络来构造变分问题的试探解，则可以使用深度学习方法进一步增强Ritz类型方法的能力。然后，我们应用这些变分方法和深里兹方法研究的自发弯曲和收缩的薄主动圆板，引起内部不对称的主动收缩。发现圆板向其收缩侧弯曲。这样一个简单的玩具系统的研究提供了理解固体状融合细胞单层的形态发生的影响。此外，我们引入了一个所谓的主动重力长度来表征重力相对于内部主动收缩在驱动活动板块弯曲的重要性。当侧板尺寸大于主动重力长度（约100微米）时，重力变得重要。在多细胞尺度上的这种重力轴行为可能在形态发生和组织发育过程中的上下对称性破坏中起重要作用。
2022-06-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Growth, collapse, and stalling in a mechanical model for neurite motility
神经突是形成神经元网络路径的长细胞突起，能够在早期形态发生期间主动延伸或在创伤后再生。为了完成这项任务，它们依赖于细胞骨架的机械支持。在本文中，我们提出了一个三组分的活性凝胶模型，描述了神经突在三个强大的机械状态实验观察到：崩溃，静态和能动。这些状态产生于由神经突的微管丰富的内核的生长驱动的物理力与其周围皮质膜的肌动蛋白-肌球蛋白收缩性之间的相互作用。特别是，静态表现为这两个平行结构的机械牵引/压缩平衡。该模型预测了神经突对牵引力的响应如何取决于力的大小，并恢复了神经突对几种药物治疗的响应，这些药物治疗调节细胞骨架的主动和被动特性。
2016-02-29 physics.bio-ph
Utilizing Quantum Fingerprints in Plant Cells to Evaluate Plant productivity
本研究利用量子光发射器和卷积神经网络分析烟草叶片的光子相关性，生成量子指纹以区分健康与不健康叶片，从而评估植物生产力，为植物健康监测提供新方法。
2025-02-28 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
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
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
Chloroplasts in plant cells show active glassy behavior under low light conditions
植物已经发展出复杂的机制来适应不断变化的光照条件。除了向光性和向日性--对光的差异生长和相对于阳光的昼夜运动--叶绿体运动是改变叶细胞胞内结构的一种快速机制。当叶绿体向植物细胞的侧面移动以避开强光时，它们在低光下聚集并在细胞底部扩散成一层，以增加光吸收效率。虽然叶绿体的运动已经研究了一个多世纪，但导致光适应自组织结构的集体细胞器运动仍然难以捉摸。在这里，我们研究的积极运动的叶绿体在昏暗的光线条件下，导致在一个密集的准二维层的积累。我们观察到突发式的重新安排，并表明这些动态类似于胶体系统接近玻璃化转变，通过跟踪单个叶绿体。此外，我们提供了一个最小的数学模型来揭示控制叶绿体致密构型稳定性的相关系统参数。我们的研究表明，在叶绿体单层的玻璃化转变附近的亚稳态笼化具有生理相关性。叶绿体保持展开的构型以增加光吸收，但当活性增加时可以容易地折叠以有效地将结构重新排列朝向回避状态。我们的研究打开了新的问题，动态相变的作用，可以在植物细胞对环境线索的自组织细胞内的反应。
2022-09-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Spot dynamics in a reaction-diffusion model of plant root hair initiation
我们研究了斑图形成在2-D反应扩散（RD）亚细胞模型表征的影响的空间梯度的植物激素分布在一个家庭的G-蛋白与根毛（RH）在植物细胞拟南芥的启动。这些G蛋白被植物激素生长素激活，称为植物Rho（ROP），已知会促进根毛细胞上的某些突起，这对于锚定和从土壤中吸收营养至关重要。我们通过生长素梯度激活ROP的数学模型是Payne和Grierson模型的扩展[PLoS ONE，12（4），（2009）]，并且由在2-D域上具有空间异质系数的双组分Schnakenberg型RD系统组成。该RD系统中的非线性动力学模拟了活性和非活性形式的ROP之间的非线性相互作用。通过使用奇异摄动分析研究2-D本地化的空间模式的活性ROP，它表明，在非线性反应动力学的空间变化，由于生长素梯度，导致缓慢的空间对齐的本地化区域的活性ROP沿纵向中线的植物细胞。数值分岔分析，连同时间相关的数值模拟的RD系统被用来说明两个2-D本地化模式的模型，和本地化结构的空间对齐。
2017-10-05 math.DS nlin.PS physics.bio-ph
Hierarchical Plant Protein Microcapsules for Hydrophilic and Hydrophobic Cargo Molecules
本文利用液滴微流控技术开发了可同时封装亲水和疏水货物的植物蛋白微胶囊，通过渗透压调控结构与释放速率，并验证其高生物降解性和消化触发释放特性，适用于食品、制药等多个行业。
2024-12-17 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph
Chase-and-run dynamics in cell motility and the molecular rupture of interacting active elastic dimers
形态发生和癌症转移中的细胞迁移通常涉及不同细胞类型之间的相互作用。我们构建和研究一个最小的，一维模型，由两个不同的运动细胞与每个细胞表示为一个积极的弹性二聚体。两个细胞之间通过钙粘蛋白的相互作用被建模为弹簧，可以超过阈值力破裂，因为它通过附着的运动细胞进行动态加载。我们得到一个相图组成的追逐和运行动力学和结块动力学的相互作用弹簧的刚度和阈值力的函数。我们还发现，虽然钙粘蛋白和细胞基质之间的相互作用，通过整合素的反馈加重追逐运行的行为，反馈是没有必要的。
2016-12-29 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
Optimal disk packing of chloroplasts in plant cells
该研究通过测量水蕴草细胞中叶绿体密度与三维形状，结合硬圆盘堆积模拟，发现细胞形状与叶绿体大小达到最优堆积，兼顾弱光吸收与强光避光，揭示粒子堆积在植物光适应中的关键作用。
2025-01-24 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
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
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
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
Mechanics and Variability of Cell Sheet Folding in the Embryonic Inversion of $Volvox$
胚胎发育过程中的许多变形是局部细胞形状变化和其他局部活性细胞片变形的整体结果。因此，形态发生不仅依赖于组织产生这些主动变形的能力，而且依赖于以克服组织的固有可变性和几何约束的方式调节它们的能力。在这里，我们探讨了绿色胚胎$Volvox$的调节和变异的相互作用，其球形胚胎将自己从内到外，使运动。通过光片显微镜和理论分析的结合，我们量化了这种反转的可变性，并详细分析了其力学，以显示形状的可变性是如何从几何，力学和主动调节的组合中产生的。
2017-08-25 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Deforming polar active matter in a scalar field gradient
具有局部极性或非极性序的活性物质服从于著名的Simha-Ramaswamy不稳定性。目前尚不清楚，尽管这种不稳定性，生物组织可以在动物形态发生过程中进行强大的主动各向异性变形。在这里，我们表明，蛋白质浓度梯度（例如形态梯度），这是已知的控制大规模的协调细胞之间，可以稳定这样的变形。为此，我们研究了一种活性极性物质的流体动力学模型。为了考虑蛋白质梯度的影响，将极性场耦合到也与物质流平流的标量场的边界提供的梯度。在大的系统尺寸限制下，我们特别证明了：（1）当标量场与主动应力之间存在有效的伸缩耦合时，系统是稳定的，即梯度伸缩耦合，而当梯度收缩耦合时，系统总是不稳定的。有趣的是，在生物学文献中有许多系统是梯度伸展的，而我们却找不到任何明显的梯度收缩的系统。(ii)稳定性受到极性大小控制方式的强烈影响。总之，我们的发现，如果实验证实，提出了新的发展原则，直接植根于活性物质物理。
2023-01-11 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
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
The effects of psammophilous plants on sand dune dynamics
沙生植物是一种特殊的植物，生长在流沙环境中。风对这些植物的影响主要有两种机制：（i）流沙暴露根和覆盖枝-暴露的根变成新的植物，被覆盖的枝变成新的根;这两种机制都导致沙丘的沙生植物覆盖物的生长速度加快;（ii）强风，通常伴随着沙的移动，撕裂树枝并在附近的地方播种，导致新的植物和沙丘的沙生植物覆盖物的增长率提高。尽管沙生植物在沙丘动力学中具有重要作用，但据我们所知，沙生植物从未被纳入沙丘的数学模型中。在这里，我们试图模拟这些植物对沙丘动态的影响。我们构造了一组三个常微分方程的分数的表面覆盖的常规植被，生物土壤结皮和沙生植物。后者在（i）特定的流沙或（ii）特定的风力下达到其最佳生长。我们表明，沙生植物丰富的沙丘动态。根据气候条件的不同，有可能获得一个、两个或三个稳定的沙丘状态。沙丘的活动可能与表面覆盖有关-裸露的沙丘是活动的，而有大量植被、生物土壤结皮或沙生植物覆盖的沙丘是固定的。我们的模型表明，在适当的降水率和风力，不同的覆盖类型的动态是符合共同的观点，沙丘最初是稳定的沙生植物，减少沙活动，从而提高了生长的经常植被，最终占主导地位的覆盖沙丘，并决定他们的活动。
2013-08-30 nlin.CD physics.bio-ph q-bio.PE
Topological Floppy Modes in Epithelial Tissues
拓扑力学的最新进展揭示了不寻常的现象，例如拓扑保护的松软模式和指数局部化在机械网络边界和界面上的自应力状态。在本文中，我们探讨了上皮组织的拓扑力学，这些边界和界面模式的出现可能会导致局部软或应力点，并在形态发生中发挥作用。我们考虑一个简单的顶点模型（VM）所管辖的有效弹性能量和其推广的主动张力网络（ATN），其中包括积极适应的细胞骨架。通过分析空间周期晶格在麦克斯韦点的机械不稳定性，我们发现拓扑极化阶段与指数本地化的松弛模式和状态的自应力的ATN时，细胞被允许成为凹，但不是在VM。
2021-04-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
A Complex Topological Phase in C-Spin Active Matter
University of Pavia（帕维亚大学）
本研究提出c-自旋活性物质理论模型，探索两类相反相互作用旋转智能体的序参量相互作用，揭示各向异性驱动的多相行为，发现中等各向异性下的拓扑点缺陷及临界双相变，为生命系统研究提供新框架。
2025-11-19 cond-mat.soft nlin.AO nlin.PS
Contact enhancement of locomotion in spreading cell colonies
细胞从最初受限制的位置扩散是从形态发生到肿瘤扩散的许多生理现象的关键方面。在这样的过程中，细胞间的相互作用如何影响单个细胞的运动，进而影响集体动力学，仍然不清楚。在这里，非粘性细胞的微图案集落的扩散从完整的一组单独的轨迹中被完全表征。它表明，接触相互作用，化学介导的相互作用和细胞增殖各自在不同的时间尺度上的分散过程中占主导地位。从数据分析和模拟的活性粒子模型，我们表明，接触的相互作用，以加快早期人口的传播，促进个别细胞的状态，更高的持久性，这构成了一个尚未报道的接触增强运动。我们的研究结果表明，目前的无记忆相互作用的活性粒子的建模范式可能需要扩展到占运动细胞的内部状态和历史依赖的行为的可能性。
2017-01-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
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
Diffusion and bulk flow in phloem loading - a theoretical analysis of the polymer trap mechanism in plants
植物通过光合作用在叶子的叶肉细胞中产生糖。这种糖，主要是蔗糖，必须通过维管束鞘装载到韧皮部维管系统（筛元件）中，在那里它被分配到植物的生长部位。我们分析了一个特定的加载机制，主动共质加载，也被称为聚合物陷阱机制，其中蔗糖转化为较重的糖，如棉子糖和水苏糖，在中间型同伴细胞接壤的筛元素在韧皮部的小静脉的可行性。为了防止较重的糖扩散回来，需要连接维管束鞘和中间细胞的胞间连丝作为非常精确的过滤器，能够区分大小相差不到20%的分子。在我们的建模中，我们考虑了水和糖在相关界面上的耦合运动，而没有明确考虑将蔗糖转化为较重糖的化学反应。根据现有的数据胞间连丝的几何形状，糖浓度和流量率，我们得出结论，这种机制可以在原则上的功能。我们发现，通过胞间连丝的水流，这还没有被量化之前，只贡献了10-20%的蔗糖通量进入中间细胞，而主要部分是通过扩散运输。另一方面，随后的糖转移到筛元件中很可能主要由通过胞间连丝的大量水流携带。因此，与质外体装载器相反，韧皮部移位所需的所有水将以这种方式供应，而不需要额外的水穿过韧皮部的质膜吸收。
2014-10-13 physics.bio-ph q-bio.BM
Collective treadmilling in fire ant rafts permits sustained protrusion growth
凝聚的活性物质因其变形能力和表现出内部流动而具有示范性，尽管保持凝聚。为了便于理解这种能力，我们调查的原因，手指状突起出现的超级有机体，聚集筏火蚁（红火蚁）。虽然这些特征很容易观察到，但是什么使它们的开始、增长和衰退反复出现，目前还不清楚。蚁筏是由一个漂浮的，相互连接的蚂蚁结构网络组成的，上面有一层自由活动的蚂蚁。在这里，我们表明，持续的形状演变是允许由永久筏收缩之间的竞争，由于散装结构蚂蚁到活动层的位移，和向外筏膨胀由于沉积到结构网络的边缘处的自由蚂蚁之间的竞争所定义的milling。此外，我们看到，突起出现由于表面蚂蚁的边缘沉积速率的不对称性，我们提供了强有力的证据表明，这些不对称性随机发生，由于壁积累效应和局部对齐相互作用。这些效应一起允许合作，但自发形成的突起，火蚁用于功能探索和逃离淹没的环境。蚁筏动力学反映了促进细胞骨架的形态发生和运动性的微铣削，从而提供了另一个例子，其中凝聚的活性物质的重塑被解释为自由成分运输，但其持续依赖于结构和自由成员之间的永久相变。
2020-12-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Vertex model with internal dissipation enables sustained flows
University of Oxford（牛津大学）；University of Dundee（邓迪大学）
本研究通过用内禀粘性耗散替代基底摩擦扩展活性向列顶点模型，发现其与细胞形状各向异性耦合可产生长程速度关联，实现上皮片层持续流动，建立了细胞级模型与连续体活性向列的联系，为形态发生中的长程关联集体细胞迁移提供了机制解释。
2024-12-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Mechanics of axis formation in $\textit{Hydra}$
Instituut-Lorentz, Leiden Institute of Physics, Universiteit Leiden（莱顿大学洛伦兹研究所）；Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California San Diego（加州大学圣地亚哥分校机械与航空航天工程系）
本文研究了Hydra中轴形成机制，通过分析活性应力与组织弹性耦合，揭示了机械力如何引导组织在生物体尺度上自发打破对称性，从而确定身体轴。
2026-01-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Spontaneous Circulation of Confined Active Suspensions
在生物学中遇到的许多活动流体系统都被设置在总几何约束中。植物细胞中的细胞质流是一个突出且普遍存在的例子，其中携带货物的分子马达沿着聚合物细丝移动并产生连贯的细胞尺度流动。当细丝不固定到细胞周边，在体内和体外发现的情况下，我们观察到的基本动力学的流是密切相关的非运动应力悬浮液。在此模型下，它表明，禁闭使一个稳定的循环状态成为可能;线性稳定性分析揭示了自发自循环的活动阈值。长时间行为的数值分析揭示了一种类似于缺陷分离的现象，在双折射液晶，和一个高活性的分岔振荡制度。
2013-01-09 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.QM
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
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
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
