Nanodiamond-Enabled Torsion Microscopy Uncovers Multidimensional Cell-Matrix Mechanical Interactions
The University of Hong Kong（香港大学）；Hong Kong Polytechnic University（香港理工大学）；Sichuan University（四川大学）
纳钻石赋能的扭力显微术揭示细胞-基质相互作用中的扭力现象，提供高精度测量细胞机械模式，拓展生物力学研究应用。
2026-01-03 physics.bio-ph
A full contraction-reaction-diffusion model for pattern formation in geometrically confined microtissues
反应扩散模型已被广泛应用于解释早期胚胎发生中基于几何限制的由人类多能干细胞组成的微组织的斑图形成的机制。近年来，研究发现细胞的应力和应变等力学因素决定了干细胞分化的斑图形成。因此，传统的反应扩散模型进行了修改，通过添加机械相关的条款，考虑所发挥的作用的机械线索。然而，这些模型要么没有考虑细胞组织的活性，要么忽略了生物组织是由细胞和间质液组成的多孔弹性本质。因此，目前的模型缺乏生物物理相关性。在这里，我们提出了一个修改后的反应扩散模型，耦合与细胞组织的主动收缩。细胞组织被建模为一片双相多孔弹性材料，其中机械力自然地调节化学信号的运输。这些化学信号引导细胞的命运，从而产生在先前实验中观察到的某些类型的斑图形成。
2022-05-30 physics.bio-ph physics.comp-ph
The collective oscillation period of inter-coupled Goodwin oscillators
University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；The University of Tokyo（东京大学）
基于Goodwin振荡器，通过多变量谐波平衡技术分析耦合细胞振荡器网络的集体振荡模式，估计集体振荡周期，并给出生化参数解析结果，为合成生物学设计提供指导。
2012-06-04 cs.SY eess.SY nlin.CD
Optimal mechanical interactions direct multicellular network formation on elastic substrates
在组织形态发生过程中，细胞自组织成功能性的有序结构，这是一个使人联想到胶体自组装成工程软材料的过程。了解细胞间的机械相互作用如何驱动有序和功能性多细胞结构的形成在发育生物学和组织工程中非常重要。在这里，通过结合弹性基板上的收缩细胞与内皮细胞培养实验的基于代理的模型，我们表明，基板变形介导的细胞之间的机械相互作用可以集群和对齐成分支网络。受血管生成网络的结构和功能的启发，我们预测了如何测量网络连接，如渗流和分形维数，以及局部形态特征，包括路口，分支和环取决于细胞收缩性和密度，并对基板的弹性性能，包括刚度和压缩性。我们预测和实验证实，细胞网络的形成是基板的刚度依赖，是最佳的中间刚度。总的来说，我们表明，长距离，机械相互作用提供了一个最佳的和一般的多细胞自组织的策略，导致更强大和更有效的实现空间跨越网络，而不仅仅是通过本地细胞间的相互作用。
2023-01-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Modelling bulk mechanical effects in a planar cellular monolayer
本文通过将细胞高度作为自由度的三维顶点模型约化为二维形式，揭示体相效应引起的能量耦合，识别细胞丧失面内刚性的五种机制，并阐明无序单层中刚性转变与拉普拉斯矩阵谱的联系。
2025-08-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Incorporating Cellular Stochasticity in Solid--Fluid Mixture Biofilm Models
本文提出细菌生物膜生长的混合模型，将固/流两相混合物力学化学描述与基于动态能量收支的细胞自动机随机细胞行为相结合，并通过薄膜和板近似获得数值解，重现了实验中观察到的加速扩展、褶皱形成及分化细菌不均匀分布等现象。
2024-01-13 cond-mat.soft cs.NA math.AP
Differential growth of wrinkled biofilms
生物膜是耐药性细菌聚集体，生长在潮湿的表面上，可引发医院获得性感染。他们提供了一个经典的例子，在生物学中，细胞群落的动态可以观察和研究。基因表达调节细胞分裂和分化，从而影响生物膜结构。机械和化学过程塑造了最终的结构。我们深入了解细胞和机械过程之间的相互作用，通过混合模型在空气琼脂界面上的生物膜的发展。细胞行为受营养物质、废物和自诱导物浓度场级联的随机规则支配。细胞分化和死亡改变了生物膜的结构和机械性能，生物膜根据Foppl-Von Karman方程变形，该方程由细胞过程和与基质的相互作用提供信息。由于生长和膨胀引起的刚度梯度产生皱纹分支。我们能够再现通常由空气-琼脂界面上的生物膜形成的褶皱结构，以及通常用B.枯草杆菌。
2015-02-23 cond-mat.soft nlin.AO nlin.CG
Spatiotemporal model of cellular mechanotransduction via Rho and YAP
细胞如何感知和响应机械刺激仍然是一个悬而未决的问题。最近的研究发现，Yes相关蛋白（YAP）在细胞核和细胞质之间的转位是感受机械力和调节机械力转导的中心机制。我们制定了一个时空模型的mechanotransduction信号通路，包括耦合的YAP与细胞力产生机械通过Rho家族的GTP酶。考虑到单个Rho蛋白（GTP/GDP结合）和YAP（非磷酸化/磷酸化）的活性和非活性形式，我们通过其核定位研究了由于活性Rho和YAP激活引起的细胞极化之间的串扰。对于固定的机械刺激，我们的模型预测固定的细胞核与细胞质的YAP比例与实验数据一致，在不同的粘附细胞面积。通过考虑最近报道的阳性和阴性YAP-Rho反馈，我们进一步预测YAP核质比的衰减甚至持续振荡。扩展的框架随时间变化的机械刺激，模拟周期性拉伸和压缩，我们表明，YAP核质比的时间依赖性如下的周期性机械刺激。该模型提出了理解时空YAP机械转导的第一个框架之一，提供了几个可能的YAP本地化动力学的预测，并提出了实验和理论研究的新方向。
2020-11-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Numerical simulation using cellular Potts model for wound closure with ATP release and the mechanobioligical effects
为了计算研究最近的实验发现，这样的细胞外ATP释放引起的外源性机械力促进伤口闭合，我们引入了一个数学模型，细胞盆模型（CPM），这是一个流行的离散模型上的晶格，其中的运动的“细胞”是由蒙特卡洛程序。在实验中，观察到从面向伤口间隙的前导细胞释放机械敏感性ATP和随后的细胞内Ca $^{2+}$内流。为了模拟这些现象，采用ATP和Ca $^{2+}$浓度的反应扩散方程并与CPM相结合，其中我们还添加了极性项，因为在ATP释放的情况下细胞迁移增强。从使用他的混合模型的数值模拟，我们讨论了由于ATP释放和Ca ${}^{2+}$内流所造成的机械力和随之而来的促进伤口闭合的集体细胞迁移的影响。
2022-09-03 physics.bio-ph
The free energy cost of accurate biochemical oscillations
振荡是一个重要的细胞过程，调节不同生命周期的时间。然而，在嘈杂的蜂窝环境中，由于相位波动，振荡可能非常不准确。生物化学回路如何抑制相位波动以及所产生的热力学成本是什么，人们仍然知之甚少。在这里，我们研究了四种不同类型的生化振荡代表三个基本的振荡图案共享所有已知的振荡系统。我们发现，相扩散常数遵循相同的反向依赖于每周期的自由能量耗散的所有系统的研究。相位扩散和能量耗散之间的这种关系在噪声振荡的模型中被解析地示出。在微观上，我们发现振荡是由多个不可逆的循环，水解的燃料分子，如ATP;相位相干周期的数量是成比例的每个周期消耗的自由能。实验证据支持这种普遍的关系和可检验的预测。
2015-06-18 physics.bio-ph q-bio.MN
Embryo as an active granular fluid: stress-coordinated cellular constriction chains
机械应力在单个细胞的基因表达和发育组织的塑造中起着复杂的作用。然而，研究机械应力和反馈如何帮助协调组织内的细胞活动的系统方法还有待开发。出于我们的观察腹侧沟形成的初始阶段在果蝇胚胎的细胞收缩链（CCC），我们提出了一个积极的颗粒流体（AGF）模型，提供了有价值的见解细胞协调在顶端收缩过程。在我们的模型中，细胞被视为由预定义的力网络连接的圆形粒子，它们经历随机收缩过程，其中粒子收缩概率P是其邻居施加在粒子上的应力的函数。我们发现，当P有利于张应力时，收缩颗粒倾向于形成链状结构。相反，当P有利于压缩时，收缩的颗粒倾向于形成紧凑的簇。一个显着的相似性收缩颗粒链和CCC在体内观察到的张力应力反馈协调顶端收缩活动提供了间接证据。我们希望我们的基于粒子的AGF模型将是有用的，在分析各种各样的形态发生和器官发生现象的机械反馈效应。
2016-03-04 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Inducing phase-locking and chaos in cellular oscillators by modulating the driving stimuli
真核细胞中的炎症反应通常与转录因子NF-κ B的核质易位中的振荡相关。在大多数实验室实现中，振荡是由细胞因子刺激触发的，如肿瘤坏死因子α，作为一个稳定水平的阶跃变化。在这里，我们使用一个数学模型来表明，振荡的外部刺激可以同步NF-kB振荡的状态，其中的内部到外部的频率的比率接近有理数。我们预测一个特定的响应图的TNF驱动的NF-κ B系统，表现出带的同步被称为“阿诺德舌头”。我们的模型还表明，当外部刺激的幅度超过一定的阈值时，存在多个不同的同步状态共存的可能性，并且最终核NF-kB浓度的混沌动力学。这可以用作外部控制免疫应答、DNA修复和凋亡途径的一种方式。
2011-12-28 nlin.CD physics.bio-ph q-bio.CB
Experimental investigation of the trachea oscillation and its role in the pitch production
已经进行了几个实验来研究当发出意大利语元音时与气管和喉相关的机械振动。机械测量是通过使用两个激光多普勒测振仪（基于众所周知的非侵入式光学测量技术）与高质量认证麦克风测量的声场相结合进行的。记录的信号进行了分析，通过使用完善的方法在时域和频域。将沿气管和喉部的机械振动信号与声学信号进行了比较。将注意力集中在信号的起始点上，我们可以观察到机械振动的向上传播，对于该向上传播，可以估计迹线之间的延迟。我们观察到，在气管的机械振荡开始之前，喉和声振荡。此外，这些气管振荡在时间上是自振荡，并且与音调产生相关联，指示气管处的进一步流体动力学不稳定性。这导致了新的见解的机制控制的讲话。
2013-10-31 physics.bio-ph q-bio.TO
Active T1 transitions in cellular networks
在组织中的非晶态固体中，相邻交换可以放松局部应力并允许材料流动。在本文中，我们使用各向异性的顶点模型来研究多边形细胞网络中的T1重排。我们考虑两种不同的物理实现的主动各向异性应力：（i）各向异性的键张力和（ii）各向异性的细胞应力。有趣的是，这两种类型的主动应力导致T1转换和细胞伸长的相对取向的模式是不同的。我们的工作表明，这两个实现的各向异性主动应力可以观察到\textit{in vivo}。我们描述和解释这些结果，通过镜头的连续描述的组织作为各向异性的活性材料。我们进一步讨论了动态组织的能量学，并将能量平衡表示为内部弹性能、机械功、化学功和热。这使我们能够定义可以在消耗化学能的同时执行机械功的主动T1跃迁。
2022-03-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Correlating Cell Shape and Cellular Stress in Motile Confluent Tissues
集体细胞迁移是涉及伤口愈合、癌症转移和形态发生的高度调节的过程。细胞之间的机械相互作用提供了协调这种集体运动的重要调节机制。使用自推进Voronoi（SPV）模型，将细胞力学与细胞形状和细胞运动性联系起来，我们制定了一个广义的机械推理方法，从运动组织中测得的牵引力中获得细胞应力的时空分布，并表明这种基于牵引的应力与瞬时细胞形状计算的应力相匹配。我们还使用应力信息来表征组织的流变特性。我们确定了一个运动诱导的游泳压力，增加了相互作用的压力，以确定全球的收缩性或延伸性的上皮细胞。我们进一步表明，相互作用剪应力的时间相关性决定了组织在液固转变时发散的有效粘度，这表明直接从牵引数据中提取流变信息的可能性。
2017-04-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Contact-mediated signaling enables disorder-driven transitions in cellular assemblies
我们发现，当细胞通过接触介导的相互作用进行通信时，细胞形状和大小的异质性导致组织中定性不同的集体行为。对于实现侧抑制的细胞间偶联，这种紊乱驱动的转变可以通过改变邻域几何结构来调节分化细胞的命运选择，从而实质上改变分化细胞的渐近模式。此外，当接触引起的信号影响固有的细胞振荡，无序导致出现功能相关的部分有序的动力学状态。
2022-01-17 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.TO
Mechanical basis and topological routes to cell elimination
利用三维相场模型研究细胞挤出，揭示黏附力调控下挤出事件与向列序、六角序缺陷的关联，并阐明其作为局部应力释放机制的作用。
2023-04-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Morphology of Proliferating Epithelial Cellular Tissue
我们使用新开发的细胞机械分裂的数值模拟模型研究增殖细胞组织的形态。该模型通过选择性分裂和分裂平面方向的简单规则再现了简单多细胞生物的结构。该模型被应用到一个双峰的混合物的硬细胞具有低的增长潜力和软细胞具有高的增长潜力。在均匀的混合物中，软细胞发育成组织基质，硬细胞发育成树突状网络结构。对于硬细胞基质中的软细胞内含物，软细胞发育为快速生长的肿瘤样结构，其逐渐排空硬细胞基质。随着细胞间摩擦力的增加，肿瘤的生长速度减慢，部分肿瘤被驱动到自我造成的细胞死亡。
2018-11-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Effect of voltage dynamics on response properties in a model of sensory hair cell
听觉和前庭器官中的感觉毛细胞依赖于主动机制来实现高灵敏度和频率选择性。最近的实验研究已经证明了低等脊椎动物毛细胞在两个不同水平上的自我维持振荡。首先，发束可以经历自发的机械振荡。第二，已观察到跨毛细胞基底外侧膜的体细胞电压振荡。我们开发了一个生物物理模型的牛蛙的囊状毛细胞组成的两个隔间，机械和电气，研究如何机械和电压振荡相互作用，产生连贯的自我维持的振荡，以及这种相互作用如何有助于整体的敏感性和选择性的毛细胞。该模型采用了非线性机械随机发束系统耦合双向霍奇金-赫胥黎型系统描述体细胞离子电流。我们隔离区域的相干自发振荡的参数空间的模型，然后研究如何耦合之间的车厢影响毛细胞对外部机械扰动的敏感性。我们发现，自发电振荡可以显着提高毛细胞的敏感性和选择性。
2012-09-27 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.SC
On cell surface deformation during an action potential
许多细胞和组织的兴奋与细胞力学变化有关。本文提供的证据证实了单个细胞在动作电位（AP）期间变形。它表明，激发植物细胞（轮藻braunii节间）是伴随着出平面位移的细胞表面在微米范围内（1-10微米）。细胞变形的开始与AP的去极化相一致。机械脉冲（i）以与电脉冲相同的速度传播（在实验精度内; 10 mm/s），（ii）是可逆的，（iii）在大多数情况下是双相性质的（152个实验中的109个）和（iv）推测为独立于肌动蛋白-肌球蛋白-运动性。微管抽吸实验证实了细胞皮层中存在瞬时机械变化。理论分析表明，这一观察结果可以解释为细胞表面的机械性能（跨膜压力，表面张力和弯曲刚度）的可逆变化。总之，这些发现有助于正在进行的关于细胞兴奋性的物理性质的辩论。
2017-08-30 physics.bio-ph
Active flow-driven DNA remodeling generates millimeter-scale mechanical oscillations
Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）；Technion, Israel Institute of Technology（以色列理工学院）
本研究通过机械方式实现DNA重塑，产生毫米级机械振荡，揭示了活性流与DNA相互作用的非平衡相变机制。
2025-11-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
Cell divisions imprint long lasting elastic strain fields in epithelial tissues
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 for 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）；Excellence Cluster, Physics of Life, Technische Universität Dresden（德累斯顿工业大学生命物理卓越集群）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）
研究通过分析果蝇上皮组织的应变场，揭示了细胞分裂产生的力偶对组织力学的影响，并确定了组织流体化的时间尺度。
2025-07-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Orthotropic Viscoelastic Creep in Cellular Scaffolds
本研究通过代理反参数识别与层级微力学有限元建模，揭示细胞支架方向性蠕变不能仅由组织拓扑解释，需在应力集中处引入非线性材料响应。
2025-07-01 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph q-bio.CB
Bistability of cellular traction on strain-stiffening substrates
Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学）；Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA)（加泰罗尼亚研究与高等学院）；Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；TU Dresden（德累斯顿工业大学）
通过理论模型揭示细胞牵引力与细胞外基质应变硬化弹性之间的正反馈导致牵引力双稳态和滞后现象，解释了基质硬化时牵引力的不连续跃迁及其在集体细胞迁移和机械异质环境中的鲁棒性作用。
2026-06-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
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
From Intracellular Signaling to Population Oscillations: Bridging Scales in Collective Behavior
细胞群体中的集体行为由单个细胞内的生化信号网络协调。由于网络的复杂性和我们对动力学参数的有限了解，将这些细胞内网络的动力学与它们控制的群体现象联系起来构成了相当大的挑战。然而，从物理系统中我们知道，集体行为系统中个体成分的行为变化发生在有限数量的定义明确的类中，这些可以用简单的模型来描述。在这里，我们应用这样一种方法来出现集体振荡的社会阿米巴Dictyosteelium discoideum的细胞群体。通过对我们的模型进行直接测试，对单细胞和群体信号动力学进行定量体内测量，我们展示了一个简单的模型如何有效地描述复杂的分子信号网络及其在多个大小和时间尺度上的影响。该模型预测了新的噪声驱动的单细胞和群体水平的信号传导现象，我们然后实验观察。我们的研究结果表明，就像物理系统一样，生物学中的集体行为可能是普遍的，可以用简单的数学模型来描述。
2014-06-25 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.MN
The Poisson ratio of the cellular actin cortex is frequency-dependent
细胞形态的改变对于许多生理过程如细胞增殖、细胞迁移和形态发生是至关重要的。它们来自主动细胞力产生和被动细胞力反应的协调相互作用-两者都受到肌动蛋白细胞骨架的重要影响。为了模拟细胞的力响应和变形，细胞力学模型通常将肌动蛋白细胞骨架描述为可收缩的各向同性不可压缩材料。然而，特别是在低频率下，没有令人信服的理由来假设不可压缩性，因为细胞骨架的水含量可能会改变。在这里，我们挑战不可压缩性的假设，通过比较计算机模拟的各向同性肌动蛋白皮质与可调泊松比测得的细胞力响应。比较仿真结果和实验数据，我们确定的泊松比的皮层在一个频率依赖的方式。我们发现，皮质的泊松比随频率降低可能是由于肌动蛋白皮质营业额导致剪切刚度在较大的时间尺度上的超比例下降。因此，我们报告的泊松比的趋势类似的玻璃材料，干扰的频率依赖性导致类似的效果。
2019-12-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Non-monotonic fluidization generated by fluctuating edge tensions in confluent tissues
在发育和稳态中，多细胞系统在其生化和机械特性方面表现出空间和时间的异质性。然而，目前还不清楚时空异质力如何影响融合组织的动力学和力学性能。为了解决这个问题，我们研究的动态行为的二维细胞顶点模型的上皮单层细胞的存在下，波动的细胞-细胞界面张力，这是一个生物相关的来源的机械时空异质性。特别地，我们研究了波动张力的幅度和持续时间对组织动力学的影响。我们意外地发现，描述细胞重排的长时间扩散常数非单调地依赖于持续时间，而它随着振幅的增加而单调增加。我们的分析表明，在低和中等持久时间的张力波动驱动运动的顶点，促进细胞重排，而在最高的持久时间的张力在网络中的演变如此缓慢，重排变得罕见。
2022-02-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
