From noisy cell size control to population growth: when variability can be beneficial
本研究构建考虑单细胞生长速率、大小波动的生物学模型，推导种群生长速率与平均出生大小的表达式，发现特定条件下单细胞生长速率波动可提升种群生长，且框架适用于多种生长规律的细胞。
2024-11-13 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Validation of the 3-under-2 principle of cell wall growth in Gram-positive bacteria by simulation of a simple coarse-grained model
这项工作的目的是提出一个粗粒度的枯草芽孢杆菌细胞壁模型，明确处理存在的多层肽聚糖。在这第一项工作中，我们的目标是验证最近提出的“三下二”原则。
2017-08-29 physics.bio-ph
Asymptotic Cellular Growth Rate as the Effective Information Utilization Rate
我们研究了细胞在随机波动环境中的平均渐近生长速率，每个环境有多个可行的表型。我们证明了任何信息处理策略都有一个渐近增长率，它是以下各项之和：（i）在环境的最坏可能分布下的最大增长率，（ii）环境的实际分布与最坏环境分布之间的相对信息，以及（iii）信息利用率，其是感觉设备的信息率减去“信息耗散率”，未被细胞用于生长的信息量。在非平稳环境中，我们发现，最佳的表型切换时间均匀划分连续的切换间隔之间的信息耗散率。
2014-03-12 physics.bio-ph q-bio.PE
Cellular resource allocation strategies for cell size and shape control in bacteria
细菌是高度适应性的微生物，通过细胞形态和大分子组成的变化在广泛的生长条件下茁壮成长。细菌形态如何在不同的环境条件下调节是一个长期存在的问题。细胞大小和形状的调节意味着将细菌的生长和分裂与其细胞环境和大分子组成相结合的控制机制。在过去的十年中，出现了简单的定量规律，将细胞生长与蛋白质组组成和营养物质的可用性联系起来。然而，细胞大小，形状和生长生理之间的关系仍然具有挑战性的解开和统一的模型是缺乏的。在这篇综述中，我们专注于细胞大小控制的调控模型，揭示了细菌细胞形态和生长生理之间的联系。特别是，我们讨论了营养条件和翻译扰动的变化如何调节细胞大小，生长速率和蛋白质组组成。结合定量模型和实验数据，我们确定了细菌大小调控的生理学原理，并讨论了细胞资源分配的优化策略。
2021-10-16 physics.bio-ph q-bio.CB
Control of cell colony growth by contact inhibition
我们研究动态的一个集落的爬行，增殖细胞与最小的，机械的细胞模型。细胞由两个圆盘组成，模拟细胞体和伪足，由有限的可延伸弹簧连接。由于运动力与细胞伸展的线性耦合，细胞表现出运动。通过一个简单的接触抑制增殖的机制，我们发现了典型的菌落生长机制，即在短时间内的指数增长在长时间内变成亚指数增长。在后一种状态下，菌落边界以恒定的速度向外移动。我们确定简单的缩放关系，这两个制度和它们之间的交叉。我们发现，细胞的形状（两个圆盘半径之间的比率）决定了细胞远离菌落的效率。细胞在远离集落的方向上排列得越好，集落扩张得就越快。
2019-04-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Mechanics and morphology of proliferating cell collectives with self-inhibiting growth
本研究针对受宏观生长诱导应力自抑制的增殖细胞群体，通过离散粒子模拟发现细胞尺寸同心环图案，推导多尺度连续介质理论并解析其形成机制，建立了增殖物质微宏观动力学的关联框架。
2024-05-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Shape-dependent bounds on cell growth rates
我考虑细胞形状和环境几何形状如何影响营养捕获的速率和随后的细胞的最大生长速率，专注于杆状物种，如\textit{E.\ coli}。简单的建模立即意味着，正是这些细胞的细长轮廓允许它们在营养丰富的培养基中以指数速率生长-正如所观察到的那样。当养分捕获受到扩散限制时，生长受到强烈抑制：在三维中，长度由$\log L \lesssim t^{1/2}$限制，在较低维度中，生长是代数的。对于其他单元几何形状、单元组、\textit{etc}，也容易获得类似的边界。将实验生长曲线拟合到这样的界限可以用来估计各种感兴趣的量，包括广义代谢率。
2014-03-18 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
The role of topology and mechanics in uniaxially growing cell networks
在生物系统中，细胞、组织和器官的生长受到机械信号的影响。在局部，细胞生长导致机械异质环境，因为细胞在细胞网络中推拉它们的邻居。尽管存在这种局部异质性，但在组织水平上，细胞网络非常稳健，因为它不容易受到机械环境或网络连接性变化的干扰。通过网络模型，我们将全局组织结构（即细胞网络拓扑结构）和局部生长机制（生长规律）与整体组织反应联系起来。在这个框架内，我们研究了两个主要的机械增长规律，已提出：应力驱动或应变驱动的增长。我们发现，为了创造一个强大的和稳定的组织环境，网络与主要的串联自然驱动的应力驱动的增长，而网络与主要的并联连接与应变驱动的增长。
2020-01-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Modeling fungal hypha tip growth via viscous sheet approximation
在本文中，我们提出了一个新的单细胞，无分支菌丝尖端生长模型。菌丝细胞的生长机制包括将细胞壁构建材料运输到细胞壁，并随后在到达时将该材料并入细胞壁。为了模拟细胞壁构建材料向细胞壁的运输，我们遵循Bartnicki-Garcia等人的假设，即细胞壁构建材料通过各向同性点源以直线运输。为了模拟细胞壁的动力学，包括新材料的生长，我们使用Campas和Mahadevan的方法，该方法假设细胞壁是由压差维持的薄粘性片。此外，我们还包括一个新的方程，该方程模拟了随着年龄的增长细胞壁的硬化。我们提出的数值结果，证明我们的模型可以描述尖端的增长，并简要讨论验证方面。
2019-03-08 math.DS physics.bio-ph q-bio.CB
Cell size regulation induces sustained oscillations in the population growth rate
我们研究了世代时间的相关性对微生物种群增长动力学的影响。我们发现，任何非零的相关性，这是由于细胞大小的调节，无论多么小，诱导人口增长率的长期振荡。只有当我们考虑到个体细胞生长速率中经常被忽视的变异性时，细胞群才能达到稳定状态。我们发现，人口的弛豫时间尺度，其稳定状态是由单细胞的生长速率的分布，是令人惊讶的独立的分裂过程的细节，如在分裂的时间和细胞大小的调节机制的噪声。我们使用现有的实验数据验证了我们的模型的预测，并提出了一种实验方法来测量单细胞生长的变异性，通过观察它需要多长时间的人口达到其稳定状态或平衡增长。
2018-12-10 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Generic growth instabilities in one-layered tissue sheets
在一个随机的，无格子的单细胞模型，它认为是离散的细胞结构的组织，和一个粗粒度的分析方法，在一层模型组织片的生长和折叠进行了研究。通过弯曲项来考虑组织片的极性。细胞分裂产生局部增加的度量。一个指数和幂律增长制度确定。在这两种机制中，一旦弯曲贡献变得太小而不能补偿细胞增殖的不稳定效应，就会发生折叠。讨论了潜在的生物学相关性。
1999-07-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Influence of cell-cell interactions on the population growth rate in a tumor
在微观层次上理解种群增长的宏观唯象模型对于预测个体间相互作用所产生的种群行为具有重要意义。在这项工作中，我们考虑的细胞相互作用对群体生长率$R$在肿瘤系统中的影响，并表明，在大多数情况下，特别是小的增殖概率，相互作用的调节作用将加强与内在的增殖概率的下降。对于个体的高复制率和协同作用，增殖概率几乎没有影响。我们计算了$R$对无血管肿瘤边缘最近邻近似下细胞间相互作用的依赖性。我们的结果有助于定性地理解种群系统中个体之间的相互作用对增长率的影响。
2017-11-22 physics.bio-ph q-bio.PE q-bio.TO
Initial cell density encodes proliferative potential in cancer cell populations
单个细胞对微环境条件的变化表现出特异性增殖反应。然而，这种潜力是否受到整个生长过程中细胞密度的限制尚不清楚。在这里，我们确定了一个理论框架，该框架捕获了癌细胞群体初始密度中编码的信息如何影响其生长特征。通过跟踪数百个癌细胞群体的生长，我们发现，随着初始细胞密度的增加，它们适应环境所需的时间会减少。此外，种群增长率在中等初始密度下表现出最大值。支持的数学模型，我们表明，所观察到的适应时间和增长率的相互依存关系是显着的不一致，无论是与标准的逻辑增长模型和Monod样的功能，管理的增长率对营养水平的依赖。我们的研究结果（i）揭示并量化了癌细胞群体生长动力学中先前未被注意的异质性;（ii）揭示了群体生长如何受到单细胞适应时间的影响;（iii）有助于我们理解临床观察到的原发性和转移性肿瘤发生率对植入癌细胞初始密度的依赖性。
2021-03-22 physics.bio-ph q-bio.PE q-bio.QM
Symbiotic Cell Differentiation and Cooperative Growth in Multicellular Aggregates
随着细胞在给定环境下生长和分裂，它们变得拥挤，资源有限，如细菌生物膜和多细胞聚集体所示。这些细胞经常通过交换化学物质表现出强烈的相互作用，如在群体感应中，以实现互利共生。在这里，要实现稳定的劳动分工，需要三个属性。首先，同源细胞分化成几种类型。第二，这种不同细胞类型的聚集体通过实现劳动分工而比孤立的细胞表现出更好的生长。第三，这种细胞聚集体在分化细胞类型的数量分布方面是稳健的。我们在这里讨论细胞如何获得细胞分化和劳动分工的能力，这也与细胞社会的稳健性有关。为此，我们开发了一个动态系统模型的细胞组成的化学成分与细胞内催化反应动力学。这些反应将外部营养物质转化为细胞生长的内部成分，分裂的细胞通过化学扩散相互作用。我们发现，共享相同催化网络的细胞通过细胞-细胞相互作用的诱导自发分化，然后实现劳动分工，从而实现比单细胞情况下更高的生长速率。这种共生分化出现在一类资源有限、细胞间相互作用强烈的反应网络中。然后，在细胞类型分布的鲁棒性实现，而集体增长的不稳定性，甚至可以出现在合作的细胞时，内部储备的产品占主导地位。目前的机制是简单和一般的相互作用的细胞与资源限制的自然结果，并与观察到的行为和形式的几个单细胞生物体的聚集体是一致的。
2016-10-25 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.PE
Shape dynamics of growing cell walls
我们介绍了一个一般的理论框架来研究积极增长和重塑表面的形状动力学。使用这个框架，我们开发了一个物理模型，用于生长细菌细胞壁，并研究细胞形状与生长和收缩动力学的相互作用。该模型使我们能够根据观察到的细胞形状的动力学推导出对细胞壁机械能的约束。我们预测，细胞大小的指数增长需要一个恒定的量的细胞壁能量被耗散每单位体积。我们使用该模型来理解和对比不同形状的细菌生长，如球形，椭圆形，圆柱形和环形形态。耦合生长细胞壁收缩，我们预测一个不连续的形状转换，从部分收缩到细胞分裂，作为一个函数的化学势驱动细胞壁合成。我们的细胞壁能量和形状动力学模型将生长动力学与细胞几何形状联系起来，并提供了一个统一的框架来描述细菌细胞中形状，生长和分裂之间的相互作用。
2016-03-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Disorder in cellular packing can alter proliferation dynamics to regulate growth
该研究将细胞分裂的周期振荡与细胞间接触信号耦合，揭示组织生长停滞源于细胞堆积从无序到有序的集体动力学转变。
2021-06-29 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.TO
Cell growth, division and death in cohesive tissues: a thermodynamic approach
细胞生长、分裂和死亡是生物组织的定义特征，有助于形态发生。在粘性组织的流体动力学描述中，它们的出现意味着细胞密度的非零变化率。我们展示了线性非平衡热力学如何将此速率表示为相关热力学力的组合：化学势，速度发散和活性。我们说明了所产生的影响的非保守的细胞密度的简单的例子启发最近的实验细胞单层，首先考虑的速度的扩展前，和第二个不稳定导致机械波。
2017-07-18 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Feedback from tissue mechanics self-organizes efficient outgrowth of plant organ
植物器官的生长表面上看起来像一片细胞的连续机械变形。然而，细胞作为单独的机械实体如何在生长过程中可靠有效地将组织变形为三维仍然令人困惑，特别是当细胞像植物组织一样紧密连接时。在植物中，组织内细胞的力学被特别好地定义为单个细胞生长基本上是响应于内部膨压的细胞壁的机械屈服。细胞壁刚度由生物信号传导控制，因此，观察到细胞生长对组织内积累的机械应力作出响应。在三维组织变形过程中，机械反馈的作用是什么？在这里，我们开发了一个三维的顶点模型，调查组织力学在发病时的器官生长在植物梢端。我们发现，器官高度主要取决于启动器官的生长较快的细胞与周围生长较慢的细胞的生长速率之比。值得注意的是，当细胞生长响应于组织范围的机械应力时，生长速率更高。我们的模拟数据的定量分析表明，细胞生长的组织力学反馈可以通过双重机制。首先，反馈引导细胞生长的模式。第二，反馈修改细胞上的应力模式，从而放大和传播生长各向异性。这种机制可以允许植物通过重组细胞生长而不是膨胀生长速率来有效地从分生组织中生长器官。
2020-04-25 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Dynamic landscapes and statistical limits on growth during cell fate specification
本研究针对Waddington细胞分化势景观隐喻的数学精确性问题，证明生长最大化调控策略可由含时势景观描述，给出种群生长时间边界，搭建非平衡热力学与发育细胞决策的概念桥梁。
2024-12-10 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Cell population heterogeneity driven by stochastic partition and growth optimality
生物学中的一个基本问题是细胞群如何在单细胞水平上基于同质过程进化成不同的亚型。在这里，我们表明，即使生物过程在细胞水平上是同质的，环境保持不变，群体双峰也可以出现。我们的模型是基于随机分区的细胞成分与最佳的拷贝数。我们发现，单峰或双峰分布的存在依赖于分区误差的方差和最佳拷贝数周围的增长率容忍度。特别是，我们的理论提供了一个一致的解释非整倍体状态在人口中的维护。所提出的模型也可以是相关的其他细胞成分，如线粒体和质粒，其丰度影响的生长速度，并受到随机分区在细胞分裂。
2019-06-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Stochastic resonance in the growth of a tumor induced by correlated noises
在一个同时受加性噪声和乘性噪声驱动的Logistic模型中，乘性噪声将肿瘤的生长规律分为两部分。推导了Fokker-Planck方程，解释了乘性噪声强度对肿瘤细胞生长的影响具有类随机共振特性。适当强度的乘性噪声有利于肿瘤细胞的生长。两类噪声之间的相关性削弱了随机共振的特性。人类的噪音促进了肿瘤细胞的生长。
2005-07-15 physics.bio-ph
Quantifying the entropic cost of cellular growth control
我们量化的调控量所需的控制活细胞生长的最大熵的方法来描述的基因组规模的模型的基础代谢状态的空间。对E.大肠杆菌和人类细胞的结果与实验一致，并指出了促进或抑制生长的不同调控策略。此外，我们明确连接的“逆温度”，控制MaxEnt分布的增长动力学，表明一个殖民地的初始大小可能是至关重要的，在确定如何指数增长的人口组织的表型空间。
2017-03-01 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.MN
A mother-machine microfluidic device for non-adherent mammalian cells reveals the population growth strategies
本研究开发了一种针对悬浮细胞的母机式微流控装置，通过优化微通道实现单细胞长期追踪，发现T细胞采用大小补偿的不对称分裂策略。
2025-09-07 physics.bio-ph q-bio.CB
Emergent Behaviors from A Cellular Automaton Model for Invasive Tumor Growth in Heterogeneous Microenvironments
本文提出一种纳入机械作用、基质降解和氧/营养梯度的元胞自动机模型，模拟异质微环境中的侵袭性肿瘤生长，再现树突状侵袭并揭示肿瘤—宿主耦合机制。
2012-01-04 physics.bio-ph physics.comp-ph
Effects of Static Magnetic Field on Growth of Leptospire, Leptospira interrogans serovar canicola: Immunoreactivity and Cell Division
研究了暴露于恒定磁场（永磁铁氧体磁体的磁通量密度= 140 mT）的细菌犬型钩端螺旋体的影响。钩端螺旋体细胞暴露于该领域后的变化，确定其生长行为和凝集免疫反应性的变化的基础上，使用暗视野显微镜与视觉成像的同源抗血清。结果表明，暴露组钩端螺旋体细胞密度和凝集反应性均低于对照组。有趣的是，一些暴露的钩端螺旋体细胞显示出异常的形态，如大的长度。我们讨论了这些观察结果的一些可能原因。
2004-12-14 physics.bio-ph q-bio.CB
Dislocation-mediated growth of bacterial cell walls
最近的实验已经阐明了杆状细菌的显著生长机制：与细胞壁延伸相关的蛋白质以恒定速度在大致沿着细胞圆周定向的圆圈中移动（Garner等人，Science（2011），Dominguez-Escobar等人Science（2011），van Teeffelen等人PNAS（2011）。我们认为这些位错的部分有序的肽聚糖结构，激活的聚糖链延伸机械，并从理论上研究这些相互作用的缺陷上的圆柱体的表面上的动力学。这些相互作用的缺陷的产生和运动导致了令人惊讶的效果所产生的圆柱形的几何形状，具有重要意义的增长。我们还讨论了长程弹性相互作用和膨压如何影响细菌细胞壁中主动移动位错的动力学。
2012-05-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Contextual Cellular Growth (ConCeG) of neural cells for realistic grey matter tissue generation for diffusion MRI simulations
Cardiff University（卡迪夫大学）；University of Oxford（牛津大学）
针对灰质扩散MRI信号解释难题，引入ConCeG框架，结合拓扑神经元合成与空间约束生长网络，依真实神经胶质形态生成细胞构建三维多细胞灰质基质，经验证可用于扩散MRI模拟。
2026-09-23 physics.bio-ph physics.med-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
Regulatory Feedback Effects on Tissue Growth Dynamics in a Two-Stage Cell Lineage Model
确定细胞间反馈调节的机制对于基本理解生物体中的组织生长控制至关重要。在本文中，我们分析了一个组织生长模型，包括一个单一的血统的两种细胞类型的负反馈信号分子进行空间扩散调节。通过导出一致定态的不动点，并进行线性稳定性分析，得到了任意参数下的相图。发现了两种不同的一般生长模式：爆破生长和终态控制生长，它们分别受非平凡不动点和平凡不动点的控制，并且可以通过改变对干细胞增殖的负反馈调节来灵敏地切换.这两种增长模式的特征时间尺度的解析表达式也推导出来。值得注意的是，平凡的和非平凡的均匀的稳定状态可以共存，并发生急剧的转变，作为相关参数的变化，在超导制度。此外，双稳态生长特性允许外部控制在这两种生长模式之间切换。此外，可以推导出早期加速生长随后延迟生长的条件。这些分析结果进一步验证了数值模拟和组织的生长行为的见解。我们的研究结果也讨论了可能的现实生物学实验和组织生长控制策略。此外，通过调节分子浓度的外部反馈控制，可以实现所需的生长模式，如通过分析促进生长、追赶生长和设计线性生长动态的目标所证明的。
2021-09-01 physics.bio-ph q-bio.TO
Scaling laws governing stochastic growth and division of single bacterial cells
揭示控制单细胞生长和分裂的定量规律仍然是一个重大挑战。使用一种独特的技术组合，产生前所未有的统计精度，我们发现单个新月柄杆菌细胞的大小随时间呈指数级增加。我们还确定，他们分裂时达到一个临界倍数（$\approx$ 1.8）的初始大小，而不是一个绝对的大小。我们发现，当温度变化时，生长和分裂的时间尺度成比例地相互超过生理温度范围。引人注目的是，细胞大小和分裂时间分布都可以通过它们的平均值重新缩放，使得条件特异性分布崩溃为通用曲线。我们占这些意见与一个最小的随机模型，是基于自催化循环。它预测了标度，以及通用曲线的特定函数形式。我们的实验和理论分析揭示了一个简单的物理原理，这些复杂的生物过程：一个单一的温度依赖性尺度的细胞时间管理的随机动力学的增长和分裂在平衡的生长条件。
2014-09-29 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.QM
Ab initio phenomenological simulation of the growth of large tumor cell populations
在先前的论文中，我们已经介绍了细胞代谢和细胞周期的现象学模型以模拟大肿瘤细胞群体的行为（Chignola R和Milotti E，Phys.Biol.2（2005）8-22）。在这里，我们描述了一个改进和扩展版本的模型，其中包括一些复杂的细胞和周围环境之间的相互作用。本版本考虑了几个额外的能量消耗的生化途径，如蛋白质和DNA的合成，细胞外pH值和细胞膜电位的调整。细胞周期的控制-先前通过特设阈值建模-在这里通过考虑来自蛋白质的检查点直接解决，这些蛋白质作为多个位点上磷酸化的靶点。随着模拟细胞的生长，它们现在可以改变周围环境的化学组成，这反过来又作为一种反馈机制来调节细胞代谢，从而调节细胞增殖：通过这种方式，我们获得的生长曲线与体外观察到的人类白血病细胞系非常匹配。该模型具有很强的约束性，返回的结果可以直接与实际实验进行比较，因为它使用的参数值范围很窄，是从实验数据中估计的，从长远来看，我们希望利用它来开发非常大的肿瘤细胞群（10^6个细胞或更多）生长的计算机模拟研究，并支持实验研究。特别是，该程序用于预测在葡萄糖贫乏培养基中生长的细胞的行为：这些预测得到了实验观察的证实。
2007-03-01 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
Influence of homeostatic mechanisms of bacterial growth and division on structural properties of biofilms. A computer simulation study
细菌的生长和分裂通常通过称为二分裂的过程发生，其中细胞极性生长直到它们分裂成两个子细胞。虽然这一过程受到在生长速率和子细胞长度中引入随机变化的因素的影响，但事实是细菌群落中的大小分布（也称为生物膜）随着时间的推移保持稳定。这表明存在有助于维持稳定的尺寸分布的稳态机制。在这些机制中，被称为sizer和adder的机制最为突出，其相关性尚未完全确定。在这项工作中，使用基于代理的模型的计算机模拟，被用来研究这些稳态机制对发展中的生物膜的几何和结构特性的影响，专注于其发展的早期阶段。此外，它被检查的效果与细胞生长的时间的线性或指数依赖性对这些属性。从我们的研究中，我们推断这些机制对所研究的性质没有明显的影响，这可能是由于随机因素在细胞分裂和生长过程中的重要性。此外，我们还讨论了细胞生长和扩散之间的竞争是如何解释发展中的细菌菌落的结构和几何形状的一个关键方面。
2022-08-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Insights from a Novel Tumor Model: Indications for a Quantitative Link between Tumor Growth and Invasion
使用我们先前开发的模型，我们在此证明：（1）实体瘤生长和细胞侵袭不仅在定性上而且在定量上是相关的，（2）侵袭的开始标志着肿瘤细胞密度超过压实最大值的时间点，以及（3）肿瘤细胞侵袭，机械限制和血管生成的减少可以协同作用，以将实际肿瘤质量增加到West等人的通用生长曲线（UniversalGrowthCurve）预测的水平。
2003-09-23 physics.bio-ph q-bio.QM
Overflow metabolism originates from growth optimization and cell heterogeneity
本研究提出结合生长优化与细胞异质性的最优蛋白质分配模型，定量解释溢流代谢（Warburg效应）的起源，经大肠杆菌实验验证，可为多种生物的相关代谢效应提供解释并应用于代谢异质性问题。
2025-02-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Growth-Driven Percolations: The Dynamics of Community Formation in Neuronal Systems
神经元系统的本质属性是它们选择性突触连接的密集模式。目前的工作描述了一种基于物理的方法来神经元的形状建模和合成，并考虑到神经元的发育和神经元社区的形成的模拟。从真实神经元的图像开始，获得几何测量值并用于构建概率模型，随后可以对其进行采样，以产生形态上逼真的神经元细胞。这些细胞逐渐生长，同时监测它们的连接随着时间的推移，这是分析的渗滤概念。然而，与传统的渗流，临界点是验证沿生长阶段，而不是细胞的密度，这在整个神经元生长动力学保持不变。它表明，通过模拟，生长的β细胞往往比具有相同直径的α对应物更快地达到渗滤。此外，对于更高密度的细胞，渗滤变得更突然，对于β细胞明显更尖锐。
2004-11-02 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.NC
Clonal dynamics of surface-driven growing tissues
本研究通过解析计算和基于智能体的随机采样技术推导克隆大小分布，发现表面驱动生长的组织呈现特征性幂律分布，从而为从遗传谱系示踪实验中推断体内组织生长模式提供了理论依据。
2024-03-26 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.QM
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
Extensive regulation of metabolism and growth during the cell division cycle
在培养物中生长的酵母细胞可以自发地同步它们的呼吸、代谢、基因表达和细胞分裂。同步培养中的这种代谢振荡反映了单细胞振荡，但单细胞振荡和同步培养之间的关系知之甚少。为了理解这种关系以及代谢和细胞分裂之间的协调，我们收集并分析了数百个时间点的DNA含量、基因表达和生理数据，这些数据来自不同生长速率、碳源和生物量密度下代谢同步的培养物。这些数据使我们能够扩展和推广一个整体平均阶段（EAP）模型，该模型将异步培养物的群体平均基因表达与构成培养物的单细胞中的基因表达动态联系起来。扩展模型解释了数百个基因的碳源特异性生长速率反应。我们的数据表明，对于给定的生长速率，同步培养物中代谢循环的频率随着生物量密度的增加而增加。这一观察结果强调了同步培养物和单细胞中代谢循环之间的差异，并表明通过群体感应机制夹带单细胞周期。在同步培养物的代谢循环过程中，恒定水平的残余葡萄糖表明，不仅需要储存碳水化合物来为分裂循环的G1/S转变提供燃料，而且还需要为代谢循环提供燃料。尽管在轮廓条件和时间尺度上的动态变化很大，大多数基因保持不变的动态协调彼此和耗氧率。类似地，G1/S转换总是发生在高耗氧阶段的开始、中间或结束，类似于在人类和果蝇细胞中的观察。
2014-06-13 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.CB
On the Distribution of State Values of Reproducing Cells: the General Evolution Equation and its Applications
细胞状态的波动，例如，一些蛋白质的丰度，引起了理论和实验上的广泛关注。然而，这种状态在细胞上的分布不仅是细胞内随机过程的结果，而且还受到依赖于状态的细胞数量增长的影响。通过将增长-死亡过程纳入概率分布的标准Fokker-Planck方程，得到了一个包含自洽增长项的非线性时间分布演化方程.导出的方程一般通过本征函数展开解析求解。通过关注线性松弛的情况下，两个例子被认为是所提出的一般形式主义的应用。首先，通过假设细胞的生长速率随着状态值$x$线性地增加，由于生长效应导致的平均状态值$x$的偏移被示出为与状态$x$和弛豫时间的方差成比例，类似于生物波动-响应关系。第二，当在状态$x$的某个阈值处的增长率存在差距时，证明存在临界差距值，超过该临界差距值，平均增长率开始增加。该临界值再次根据弛豫时间和$x$的方差获得，所有这些都是实验上可测量的量。的相关性的结果，以分析的生物数据的细胞状态的分布，例如通过流式细胞术获得的，进行了讨论。
2005-10-07 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Lineage topology, replication kinetics and cell cycle synchronization reveal regulated growth dynamics in human bone marrow stromal cell colonies
本研究通过对32个单细胞来源人骨髓基质细胞集落的7代谱系追踪，发现其谱系拓扑与复制动力学的异质性及强相关性，早期细胞周期高度同步且需细胞间分裂时间关联，揭示了调控其异质性与生长的基础机制。
2025-10-22 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Continuum modeling of fluidic and elastic flow during growth-driven wound closure in partial-EMT cell monolayers
Worcester Polytechnic Institute（伍斯特理工学院）；University of Massachusetts, Amherst（马萨诸塞大学阿默斯特分校）
研究部分上皮-间质转化细胞单层生长驱动伤口闭合中流体和弹性流动，开发流化生长-弹性框架，将应变率分解量化各贡献，应用于小鼠胚胎心外膜细胞间隙，揭示组织流动性和弹性对闭合运动学的关键作用。
2026-08-17 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.TO
Cell growth rate dictates the onset of glass to fluid-like transition and long time super-diffusion in an evolving cell colony
集体迁移支配着许多现象，从生命系统中的细胞运动到非生物的自我推进粒子。聚焦于肿瘤演变的早期阶段，我们阐明了细胞动力学中涉及的原则，并强调了它们在理解看似无关的软玻璃状材料中的类似行为和可能的趋化因子诱导的CD 8 $^{+}$ T细胞迁移中的意义。我们使用最小的三维模型进行了肿瘤侵袭的模拟，考虑了细胞弹性和粘附性细胞-细胞相互作用以及细胞出生和死亡，以建立细胞生长速率依赖性肿瘤扩张导致出现不同的拓扑小生境。边缘细胞垂直于肿瘤边界以较高的速度运动，而内部细胞的运动较慢且各向同性。细胞的均方位移$Δ(t)$在与细胞周期时间相当的时间表现出玻璃态行为，而在更长的时间表现出超扩散行为$Δ(t) \approx t^α$（$α> 1$）。我们推导出的值$α\approx 1.33$使用基于随机量子化的场论方法。在此过程中，我们建立了超扩散在一类看似无关的非平衡系统中的普适性。只有当细胞出生率和死亡率之间存在不平衡时，才会出现长时间的超扩散。我们对集体迁移的发现，也表明肿瘤演变以极化方式发生，与{ \it in vitro}实验定量一致。尽管是在肿瘤侵袭的背景下，这些发现也应该适用于描述生长细胞和活性系统中的集体运动，在活性系统中，粒子的产生和湮灭起着作用。
2018-02-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Force-driven growth of intercellular junctions
机械力调节细胞-细胞连接的形成和生长。钙粘蛋白是一种重要的同型细胞粘附分子，在细胞间粘附的建立中起着至关重要的作用。已知通过钙粘蛋白介导的连接传递的力与连接的生长和扩大直接相关。在本文中，我们提出了一个物理模型的细胞连接的结构演变进行牵引牵引，使用Bell-Dembo-Bongard热力学模型。钙粘蛋白具有多种粘附状态，并可根据Ca 2+浓度建立滑动或捕获键。我们进行了一项比较研究之间的力依赖行为的集群的滑移和捕捉债券。结果表明，捕捉键的集群功能的细胞力学转导的一些标志，在响应于牵引牵引。这是一个被动的热力学响应，完全由拉力的机械功对结的自由能景观的影响控制。
2017-10-09 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Modelling the effect of curvature on the collective behaviour of cells growing new tissue
已知若干生物组织的生长部分地由局部几何特征（诸如组织界面的曲率）控制。这种控制导致组织形状的变化，这反过来又会影响组织的进化。了解这种控制的细胞基础对于生物支架组织工程、骨微结构的演变、伤口愈合和肿瘤生长具有重要意义。虽然以前的模型已经提出了组织生长和曲率之间的几何关系，细胞密度和细胞活力的作用仍然知之甚少。我们提出了一个细胞为基础的数学模型的组织生长研究系统的影响曲率的集体拥挤或扩散的组织合成细胞引起的局部组织表面积的变化，在运动的接口。根据扩散阻尼的强度，该模型表现出复杂的增长模式，如起伏运动，有效的平滑的不规则性，并产生尖点。我们比较了这个模型与不同几何形状的生物支架中的组织沉积的体外实验。通过考虑活性细胞的消耗，该模型能够捕获如实验观察到的初始基底几何形状的平滑和组织沉积减缓。
2016-11-30 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Jamming and force distribution in growing epithelial tissue
我们使用一个新开发的数值模拟模型，在2D的机械细胞分裂和迁移的增殖细胞组织的形态。该模型适用于由具有低生长潜力的硬细胞和具有高生长潜力的软细胞组成的双峰混合物;癌细胞通常被认为比健康细胞更软。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。当软细胞被放置在由硬细胞组成的组织内（以模拟癌症生长）时，软细胞发育为快速生长的肿瘤样结构，逐渐排空硬细胞基质。该模型还证明了1）软细胞如何在最大有效刚度的方向上定向自身，如由Bischofs和Schwarz的理论（Proc. Natl. Acad.美国科学，100，9274- 9279（2003）和2）取向和力的产生在软-硬界面后面的几个单元行继续。随着细胞间摩擦力的增加，肿瘤生长减慢并发生细胞死亡。细胞之间的接触力分布被证明是高度敏感的细胞类型的混合物和细胞间的相互作用，这表明，局部机械力可以是有用的组织形成的调节器。结果揭示了新的光建立的实验数据。
2020-05-04 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
A level-set method for the evolution of cells and tissue during curvature-controlled growth
大多数生物组织通过在组织界面附近合成新材料而生长，其中空间相互作用可以对局部生长速率施加强烈的几何影响。这些几何影响可能是机械的，或细胞行为的性质。几何形状对组织生长的控制已经在许多体内和体外实验中得到证实，包括骨重建、伤口愈合和组织工程支架。在本文中，我们提出了一个概括的数学模型，捕捉机械曲率的影响，在组织生长过程中的细胞密度和组织形状的联合演变。这种概括使我们能够模拟突然的拓扑变化，如组织碎片和组织融合，以及三维的情况下，通过水平集为基础的方法。水平集方法引入了不同于水平集函数的另一个欧拉场。这个额外的字段代表组织合成细胞的表面密度，预计在未来的界面位置。用这种基于水平集的方法进行的数值测试表明，细胞的数值守恒是模拟准确性的一个很好的指标，特别是当尖点在组织的界面中发展时。我们将这种新的模型应用于曲率控制的组织演变，包括碎片和融合的几种情况。
2019-09-16 cs.NA math.NA physics.bio-ph
Statistical mechanics for metabolic networks during steady-state growth
代谢网络的哪些性质可以仅仅从网络组成反应的化学计量信息中推导出来？通过通量平衡分析（FBA），通过假定细胞在允许的化学计量内设定代谢通量以使其生长最大化，已经获得了预测结果。在这里，我们将这个框架推广到单细胞水平，使用统计物理学中的最大熵模型。我们定义和计算，大肠杆菌的核心代谢，在所有通量的联合分布，产生实验观察到的增长率。这种解决方案，含有FBA作为限制性的情况下，提供了一个更好的匹配，在野生型和几个突变体中测得的通量。我们发现E.大肠杆菌代谢接近，但不是在，由FBA假设的最优。此外，我们的模型进行了广泛的预测：（i）通量变化，其调节，以及各个细胞之间的通量相关性;（ii）化学计量约束与生长速率优化的相对重要性;（iii）单细胞生长速率分布的定量缩放关系。我们使用来自在不同亚抑制抗生素浓度下在微流体装置中生长的单个细菌细胞的数据来验证这些缩放预测。在温和的动力学假设下，波动响应关系进一步预测的自相关时间尺度的增长数据和增长率适应时间的环境扰动。
2017-03-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Minimal cellular automaton model with heterogeneous cell sizes predicts epithelial colony growth
研究通过扩展概率元胞自动机模型以纳入细胞大小变化，模拟平面细胞培养动力学，发现仅体积排斥与尺寸依赖增殖率即可产生接触抑制现象。
2024-06-28 nlin.CG physics.bio-ph physics.data-an
Frustration-induced inherent instability and growth oscillations in pollen tubes
在种子植物中，花粉管是将雄配子细胞运送到胚珠以实现受精的导管。它由一个细长的细胞组成，表现出生长振荡，直到它完成其功能。到目前为止，生长周期性特征背后的机制尚未完全理解。试图了解这些振荡导致我们一个有吸引力的场景：我们表明，压力引起的对称性挫折发生在壁在周边的圆柱形和近似半球形的部分，一个不断增长的花粉细胞，加上细胞壁材料的机制，足以释放和维持机械自振荡和细胞在花粉管中的延伸。在对称性受挫发生的过渡区，人们无法区分所涉及的对称性，出现一种“纠缠态”，其中可以实现单一或两个对称性的系统。我们预计，可验证的预测模型可能会提供，校准后，一个新的工具来估计膨压从振荡周期的生长细胞。由于机械原理适用于所有膨压调节壁细胞，包括那些植物，真菌和细菌的起源，这项工作的相关性不限于花粉管的情况。
2012-12-31 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
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
