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西安交大徐光魁教授 Nano Lett.: 細(xì)胞群體運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)械波的自發(fā)涌現(xiàn)、模式和頻率
2024-03-27  來(lái)源：高分子科技

  在許多生理和病理過(guò)程中（如胚胎發(fā)育、腫瘤轉(zhuǎn)移等），細(xì)胞群體遷移都扮演著至關(guān)重要的角色。最近，較多的研究發(fā)現(xiàn)了在上皮細(xì)胞群體擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)自發(fā)涌現(xiàn)出機(jī)械波現(xiàn)象，這些涌現(xiàn)現(xiàn)象在局限的細(xì)胞簇、擴(kuò)張的菌落、碰撞的細(xì)胞單層等很多情形下都被觀察到。同時(shí)，細(xì)胞群體展現(xiàn)出豐富的運(yùn)動(dòng)模式，如正常上皮細(xì)胞群體涌現(xiàn)出的X型波和腫瘤上皮細(xì)胞群體涌現(xiàn)出的V型波。這些波動(dòng)行為形成了復(fù)雜而精確的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，為調(diào)控細(xì)胞單層的運(yùn)動(dòng)與變形提供了重要的指導(dǎo)。例如，環(huán)狀波在細(xì)胞單層內(nèi)陷過(guò)程中誘導(dǎo)上皮彎曲、機(jī)械波信號(hào)可以精準(zhǔn)誘導(dǎo)魚(yú)尾鰭再生、密度波控制著鳥(niǎo)類羽毛的生長(zhǎng)速率和排列方式等。這些例子突顯了生命體內(nèi)部微觀層面的動(dòng)態(tài)行為與整體功能之間的緊密關(guān)聯(lián)，為新功能活性材料的設(shè)計(jì)提供了深刻啟示。同時(shí)，這些現(xiàn)象“涌現(xiàn)”出一些有趣的力學(xué)問(wèn)題：為什么機(jī)械波可以在密集的細(xì)胞層中自發(fā)產(chǎn)生？調(diào)節(jié)這些波模式的力學(xué)機(jī)制是什么？基于此，徐光魁教授團(tuán)隊(duì)采用傅里葉特征算子方法，首次分析了實(shí)驗(yàn)中報(bào)道的諸多波動(dòng)行為的時(shí)空?qǐng)D像，并計(jì)算了它們的傳播頻率。令人驚訝的是，相同類型的細(xì)胞群體變形卻可以形成顯著不同的頻率，甚至相差一個(gè)數(shù)量級(jí)（5.0 ~ 48.2 Hz）。這一有趣的發(fā)現(xiàn)又引發(fā)了耐人尋味的問(wèn)題：波的頻率與哪些因素有關(guān)？為什么同一細(xì)胞類型形成的波頻差異如此之大？



  為解決上述問(wèn)題，西安交通大學(xué)徐光魁教授團(tuán)隊(duì)考慮細(xì)胞微納結(jié)構(gòu)特征和活性分子的力-化學(xué)反饋回路，開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于結(jié)構(gòu)剛度矩陣的高效離散頂點(diǎn)模擬方法，用于研究細(xì)胞群體運(yùn)動(dòng)與變形的時(shí)空演化過(guò)程（圖1）。研究結(jié)果表明：該離散模型能夠定量地捕捉擴(kuò)散集體細(xì)胞中的一些關(guān)鍵特征，包括X型波和細(xì)胞間應(yīng)力的累積等（圖2a）。一個(gè)顯著的發(fā)現(xiàn)是，擴(kuò)散細(xì)胞單層顯示出波頻與局部非均質(zhì)性（即細(xì)胞密度）呈-1/2指數(shù)的冪律關(guān)系（圖2b）。為了深入理解這些發(fā)現(xiàn)，研究人員建立了一個(gè)連續(xù)力學(xué)模型，并將其與離散的模擬方法相結(jié)合，推導(dǎo)獲得波頻與局部細(xì)胞密度、皮質(zhì)層彈性之間的解析關(guān)系，驗(yàn)證了上述發(fā)現(xiàn)。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了局部細(xì)胞的幾何特征和力學(xué)特性對(duì)整個(gè)組織遷移動(dòng)力學(xué)的影響。 


圖1. 本研究示意圖


圖2 X型波及其波頻與局部密度的冪律關(guān)系


  此外，研究人員證明了所提出模型定量捕獲不同波模式的能力，包括實(shí)驗(yàn)中報(bào)道的X模式波（正常上皮細(xì)胞）和V模式波（腫瘤上皮細(xì)胞），以及介于兩者之間的新型W模式波。重要的是，他們揭示了這些波模式之間的相變是由細(xì)胞主動(dòng)力的分布形式所控制的（圖3）。上述發(fā)現(xiàn)為致密細(xì)胞層中波的涌現(xiàn)、變化和調(diào)節(jié)提供了新的見(jiàn)解。該研究提供的離散算法和連續(xù)理論將有助于探索活性材料時(shí)空動(dòng)力學(xué)演化的潛在機(jī)制。 


圖3 波的模式取決于細(xì)胞主動(dòng)力的分布


  總結(jié)：研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的離散模擬模型和連續(xù)理論方法可以定量地捕捉細(xì)胞群體運(yùn)動(dòng)的涌現(xiàn)行為。一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)是波頻率與局部細(xì)胞密度、皮質(zhì)層彈性呈冪律關(guān)系。進(jìn)一步，揭示了細(xì)胞主動(dòng)力分布對(duì)波的模式（X，V和W模式）之間相變的調(diào)節(jié)作用。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了局部細(xì)胞的幾何特征和力學(xué)性質(zhì)對(duì)整個(gè)組織運(yùn)動(dòng)和變形的影響。在發(fā)育和傷口愈合過(guò)程中，局部細(xì)胞密度和收縮性的轉(zhuǎn)變具有指導(dǎo)組織修復(fù)與再生的潛力。對(duì)于腫瘤組織，這些機(jī)制則可能被癌細(xì)胞操縱以增強(qiáng)其侵襲能力。同時(shí)，這些多細(xì)胞波等涌現(xiàn)現(xiàn)象可以反映細(xì)胞群的局部變化，因此可能成為疾病發(fā)展和診斷的新指標(biāo)。

  以上研究成果以“Emergence, pattern, and frequency of spontaneous waves in spreading epithelial monolayers”為題于2024年3月14日發(fā)表在《Nano Letters》上。文章第一作者為西安交通大學(xué)博士生殷旭，合作者有西安交通大學(xué)劉詠泉副教授，北京科技大學(xué)張立元教授和西安交通大學(xué)博士生梁棟，唯一通訊作者是西安交通大學(xué)徐光魁教授。徐光魁教授主要研究方向?yàn)榛钚圆牧狭W(xué)、多尺度力學(xué)，在單細(xì)胞、細(xì)胞群體、軟組織等不同尺度上探究活性材料的變形與運(yùn)動(dòng)機(jī)制。現(xiàn)任中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)首屆青托委員會(huì)副主任、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)固體力學(xué)專業(yè)委員會(huì)生物材料與仿生專業(yè)組副組長(zhǎng)、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)軟物質(zhì)力學(xué)工作組委員、陜西省力學(xué)學(xué)會(huì)理事、《SN Applied Science》編委、《International Journal of Computational Materials Science and Engineering》編委、《Acta Mechanica Solida Sinica》特邀青年編委、《醫(yī)用生物力學(xué)》編委等。發(fā)表論文80余篇，第一/通迅作者50余篇，包括Nature Communications、Science Advances、Nano Letters（3篇）、ACS Nano（3篇）、JMPS（8篇）、Biophysical Journal（6篇）、Advanced Science等期刊。這些研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目等資助。


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c04876


  下載：Emergence, pattern, and frequency of spontaneous waves in spreading epithelial monolayers

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