Early stages of collective cell invasion: Biomechanics
Universidad Carlos III de Madrid（马德里卡洛斯三世大学）
本文提出一种新的分数步细胞Potts模型，用于描述集体侵袭的不同类型，包括单个间质细胞或混合上皮-间质细胞群的侵袭行为，通过分数步方法更真实地模拟侵袭过程。
2026-03-13 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Fingering instabilities in tissue invasion: an active fluid model
转移性肿瘤通常通过形成从癌块出现的多细胞指状突起来侵入健康的邻近组织。为了理解这一现象背后的力学背景，我们在这里开发了一个自我推进的，不断生长的生物组织的极简流体模型。该理论只涉及四个力学参数，并在各种设置中保持分析跟踪。作为该模型的应用，我们研究了由我们的主动和膨胀流体制成的二维圆形液滴的演化，并嵌入被动的非生长组织中。该系统可用于模拟上皮层中癌的演变。我们发现，我们的描述可以解释的倾向，肿瘤组织的指法不稳定性，作为条件的积极牵引和生长动力学的幅度。我们还能够预测转移开始时的肿瘤大小，以及随后的侵袭性指的数量。我们的主动流体模型可能有助于描述更广泛的生物过程，包括伤口愈合和发育模式。
2018-09-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Normal epithelial and triple-negative breast cancer cells show the same invasion potential in rigid spatial confinement
细胞外微环境在肿瘤生长和进展中起着重要作用，强烈影响单个癌细胞在转移性侵袭过程中采取的迁移策略。在这项研究中，我们使用一种新的微流控装置来研究间充质和上皮乳腺肿瘤细胞的能力，通过缩小微结构的趋化刺激后，迁移。我们比较了两种间充质乳腺癌细胞系和一种上皮细胞系的迁移行为，发现上皮细胞能够像更具侵袭性的间充质细胞一样通过最窄的微收缩迁移。此外，我们证明，上皮细胞通过一个高度压缩的环境中的迁移可以发生在没有一个化学吸引刺激，从而证明，他们是一样容易作出反应的机械线索作为侵入性细胞。
2020-02-11 physics.bio-ph q-bio.CB
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
Enhanced extracellular matrix remodeling due to embedded spheroid fluidization
本研究构建三维顶点模型，揭示类流体肿瘤球体通过主动细胞重排引发形状波动，比类固体球体更显著地促进周围纤维网络的重塑与致密化，阐明了球体流变特性在肿瘤侵袭前阶段的关键力学作用。
2024-03-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechanical heterogeneity in tissues promotes rigidity and controls cellular invasion
我们研究的影响，细胞水平的机械异质性上皮组织使用基于顶点的模型。单细胞刚度的异质性作为淬火随机变量引入每个细胞的优选形状指数（$p_0$）。我们发现了一个交叉缩放的组织剪切模量，这表明组织的集体刚度是由一个单一的参数$f_r$，占刚性细胞的分数控制。有趣的是，刚性开始发生在$f_r=0.21$，远低于刚性细胞的接触渗透阈值。由于刚性和接触变形的分离，异质性可以增强组织刚性并产生中间固体状态。异质性对肿瘤侵袭动力学的影响也进行了研究。当组织变得更硬时，存在侵入的总体阻抗。入侵也可以发生在中间异质固态，其特征在于显着的时空不稳定性。
2019-05-07 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Short-Range Migration Can Alter Evolutionary Dynamics in Solid Tumors
在这里，我们研究如何在伊甸园模型中的竞争是由短程扩散和要求，网站更新后，才发生几次更新的同一网站已尝试以前的影响。后者模拟了组织或介质抵抗侵袭的效果。我们发现，组织的存在加强了“自然选择”和减缓了“遗传漂变”，两者都在有限的程度上。更有趣的是，我们的研究结果表明，短程迁移可以消除遗传分层和隐藏自然选择。
2019-09-25 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.PE
Complexity of Brain Tumors
肿瘤生长是一个复杂的过程，其特征在于不受控制的细胞增殖和邻近组织的侵袭。这些现象的理解是至关重要的，以建立适当的诊断和治疗策略，并开始与合适的描述符，如那些产生的缩放分析的复杂性进行评估。在目前的工作中，尺度分析用于提取的动态参数，表征肿瘤生长过程中的脑肿瘤。分析的重点是评估肿瘤生长的一般特性，例如Family-Vicsek模型，其中包括各种各样的弹道生长模型。结果表明，在一个明确的方式，神经胶质瘤严格的行为，因为它是由解剖学提出的，而良性肿瘤的行为完全不同。作为一个补充的观点，来自肿瘤界面的复杂可见性网络支持这些结果，并将其作为理解肿瘤生长动力学的一个可能的描述符。
2019-07-17 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.TO
Immune cells interactions in the tumor microenvironment
本研究通过增强的基于代理模型模拟肿瘤免疫微环境中巨噬细胞动态行为，揭示其对癌细胞增殖的显著影响，并提出靶向巨噬细胞的潜在治疗策略。
2024-05-28 physics.bio-ph q-bio.CB
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
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
Shape of population interfaces as an indicator of mutational instability in coexisting cell populations
University of Tennessee（田纳西大学）
研究通过分析共存细胞群体中人口界面形状，揭示突变不稳定性对侵入前沿波动的影响及进化动态。
2025-12-04 physics.bio-ph
Initial condition assessment for reaction-diffusion glioma growth models: A translational MRI/histology (in)validation study
Hôpital Erasme（埃拉斯姆医院）；Université libre de Bruxelles（布鲁塞尔自由大学）；Center for Microscopy and Molecular Imaging（显微与分子成像中心）
弥漫性胶质瘤是一种高度浸润性的肿瘤，其早期诊断和随访通常依赖于磁共振成像（MRI）。然而，该技术的有限灵敏度使得不可能直接评估神经胶质瘤细胞侵袭的程度，导致次优的治疗计划。反应扩散生长模型已经提出了几十年，外推胶质瘤细胞浸润超出边缘可见的MRI和预测其时空演变。然而，这些模型需要初始条件，即在诊断时大脑每个位置的肿瘤细胞密度值。一些工作已经提出了将肿瘤细胞密度函数与MRI上可见的异常轮廓相关联，但到目前为止，基本假设从未得到验证。在这项工作中，我们建议通过使用定制的3D打印切片机对患有胶质母细胞瘤的非手术大脑进行立体定向组织学分析来验证这些假设。使用深度学习方法从组织学切片计算细胞密度图。然后将密度图配准到死后MR图像，并与到肿瘤核心的MR导出测地距离图相关。还研究了T2 FLAIR MRI上可见的水肿轮廓与到核心的距离之间的关系。我们的研究结果表明，（i）先前提出的肿瘤细胞密度随着到肿瘤核心的距离呈指数下降并非不合理，但（ii）水肿轮廓通常可能不对应于细胞密度等值线，（iii）这些轮廓处通常采用的肿瘤细胞密度值可能被高估。这些研究结果突出了使用传统MRI获得胶质瘤细胞密度图的局限性，并指出需要验证其他方法来初始化反应扩散生长模型，并使其可用于临床实践。
2021-02-02 cs.LG eess.IV physics.bio-ph
Patient-specific prediction of glioblastoma growth via reduced order modeling and neural networks
Mathematics Area, mathLab, SISSA（SISSA数学区mathLab）；Dipartimento di Matematica e Fisica “N. Tartaglia”, Università Cattolica del Sacro Cuore（圣心大学N. Tartaglia数学与物理系）；Department of Neurosurgery – Fondazione I.R.C.C.S. Istituto Neurologico Carlo Besta（卡尔·贝斯塔神经科学研究所神经外科部）
本研究提出一种结合扩散界面模型、降阶建模与神经网络代理的胶质母细胞瘤生长预测框架，实现患者特异性参数识别与实时预测，并通过敏感性分析验证其鲁棒性，为神经肿瘤学数字孪生奠定基础。
2025-04-01 cs.LG cs.NA eess.IV
Chirality provides a direct fitness advantage and facilitates intermixing in cellular aggregates
形状和运动性的手性可以在微生物和癌细胞中迅速进化。为了确定手性如何影响细胞适应性，我们开发了一个紧凑的聚集体，如微生物菌落和实体肿瘤中的手性生长模型。我们的模型概括了以前的实验结果，并表明突变细胞可以通过增加它们的手性或切换它们的手性来入侵。入侵的结果要么接管或稳定共存的突变体和祖先之间的相对手性。对于大的手性，共存伴随着细胞之间的强烈的相互混合，而空间分离发生否则。我们发现，聚集体内的竞争是由具有不同手性的细胞相遇的区域中的凸起介导的。聚集体形状和自然选择之间的双向耦合由手征Kardar-Parisi-Zhang方程耦合到具有乘性噪声的Burgers方程来描述。我们解决了这个理论的关键特征，以解释手征选择的起源。总的来说，我们的工作表明，手性可能是一个重要的生态特性，介导竞争，入侵和空间结构的细胞群体。
2020-07-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.PS
Micromechanical statistical model links induced nematic order to mechanical response in fiber networks
Tel Aviv University（特拉维夫大学）；Kent State University（肯特州立大学）；Hiroshima University（广岛大学）
本研究开发了一种考虑几何与材料非线性的连续细观力学理论，揭示纤维网络的诱导向列序与力学响应的关联，通过离散模拟验证理论，明确单轴拉伸下序与致密化的关系及收缩细胞的屈曲传播规律。
2026-08-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
