原创 集智编辑部 2024-12-08 20:43 北京
这项研究以理论和模拟相结合的方式，揭示了压力对细胞生长的深远影响，并为细胞群体的微观与宏观动力学提供了全新的解释框架。
关键词：细胞模式形成，细胞群体动力学，多尺度动力学，压力敏感性
论文题目：Mechanics and Morphology of Proliferating Cell Collectives with Self-Inhibiting Growth
论文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.158402
期刊名称：Physical Review Letters
细胞群体的增长和形态变化一直是生物学和物理学交叉研究的热点领域。传统上，人们认为化学信号和营养分布是驱动细胞模式形成的主要因素。然而，近年来的研究表明，机械力也在这一过程中发挥了重要作用。特别是在高密度环境中，细胞之间的相互作用会导致复杂的压力分布，进而影响细胞的生长和排列。这种机械力驱动的现象在自然界中广泛存在，例如肿瘤组织的生长和细菌群落的扩展。
近日发表于 Physical Review Letter 的一篇文章中，作者探索了细胞群体如何通过机械过程实现自我调节增长及其形态变化。这项研究以理论和模拟相结合的方式，揭示了压力对细胞生长的深远影响，并为细胞群体的微观与宏观动力学提供了全新的解释框架。
文章通过离散粒子模拟，展示了在压力作用下细胞集体中形成的同心环状结构。模拟表明，这些图案的形成是由于个体细胞在面对机械压力时对生长的抑制反应。这一过程随着时间的推移累积，形成了复杂的空间和时间模式。为进一步解释这一现象，作者开发了一种多尺度连续体理论，将细胞的微观力学特性与群体的宏观动态耦合起来。理论的解析解不仅能够准确预测图案的形成，还解释了不同压力敏感性参数如何影响这些结构的特征波长。
研究的一个核心发现是，机械压力不仅导致局部细胞重新排列，还可能对整体生长速率产生深远的影响。在生物学领域，这一结果具有重要意义，因为它表明，细胞的机械环境可能在决定群体结构和功能方面扮演关键角色。更令人着迷的是，这种通过机械阻力形成的模式并不依赖化学信号或周期性过程，而是由一个恒定的机械反馈机制驱动。这一发现挑战了传统观点，认为细胞模式形成通常由化学梯度或复杂的分子信号控制。
从应用的角度来看，作者的模型为研究其他类似系统开辟了新路径。例如，在组织工程或肿瘤生长的研究中，这种机械反馈机制可能对优化结构和功能有重要启示。此外，模型还预测，通过调整压力敏感性，细胞群体可以在不增加内压的情况下实现更高效的增长。这一理论预测不仅与实验观测相符，还为实验设计提供了参考。
本文还采用了新的数值方法来解决密集细胞群体中常见的接触分辨问题，避免了传统方法的数值僵硬性。通过这一改进，作者得以在大规模模拟中观察到清晰的细胞行为，从而为验证理论提供了有力支持。
作者声称这一理论框架可以扩展到其他生物系统，例如表皮层或具有复杂弹性特性的组织。此外，模型中描述的“遗传性”特性，即细胞在压力累积过程中的状态如何传递给后代，可能为探索细胞进化中的力学因素提供新的视角。
图1. 粒子模拟示意图。
图2. 压力敏感生长下的图案形成。
图3. 生长机制。
图4. 尺寸不均匀性的动力学表现。
龚铭康 | 编译
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