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  作為重要的生理功能，上皮組織形態發生是一個多尺度動態過程。這一過程中，機械信號對正常的細胞活動包括增殖、分化、遷移等的調控是必不可少的。為了揭示上皮單層復雜形態發生過程的機械機制，人們開發了許多模擬細胞群體（細胞單層）的離散模型，如頂點模型，Pott模型和Flocking模型等。其中，應用最廣泛的是頂點模型，它可以成功地再現細胞的大部分運動行為，但由于計算成本較大，通常局限于研究小規模細胞群。此外，現有模型也常常忽略與細胞形態和特性密切相關的細胞骨架結構。隨著生物物理/生物化學機制的數學描述的復雜性和組織規模/維度的增加，降低細胞單層時空演化的計算成本成為了一個突出的挑戰。

  為實現探究細胞單層力學機制的高效性、準確性和全面性，西安交通大學徐光魁教授團隊提出了一種基于結構剛度矩陣的計算方法(SMM)，該方法可以準確、快速地評估細胞單層的力學性能和模擬大規模細胞群變形與運動行為(圖1)。利用該方法，模擬了細胞單層在線性和階躍應變加載方式下的變形行為。進一步，考慮細胞骨架結構特征，研究了不同尺度變化對細胞單層力學行為的影響。

圖1  含有細胞骨架結構的上皮單層模型及計算方法流程

無細胞骨架結構的上皮單層力學行為

  首先，利用發展的SMM方法模擬了細胞單層在線性和階躍應變下的力學響應，并將得到的結果與傳統頂點模型(VM)的結果進行比較，如圖2和3所示。結果表明：兩種方法求解的應力-應變曲線幾乎一致，驗證了模型的有效性。在模擬細胞群時，本文提出的SMM方法比VM模型具有明顯更高的計算效率。特別是，當模擬大規模細胞群或大變形時，新發展的SMM方法計算速度比傳統VM方法快一個數量級以上。因此，該方法也將有望在大規模組織的時空動態演化建模中得以應用。

圖2 模擬線性和階躍應變加載下細胞單層的方法驗證與比較

圖3  剛度矩陣模型與傳統頂點模型的時間效率比較

具有細胞骨架結構的上皮單層力學行為

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2022.105077