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  作為重要的生理功能，上皮組織形態(tài)發(fā)生是一個(gè)多尺度動(dòng)態(tài)過(guò)程。這一過(guò)程中，機(jī)械信號(hào)對(duì)正常的細(xì)胞活動(dòng)包括增殖、分化、遷移等的調(diào)控是必不可少的。為了揭示上皮單層復(fù)雜形態(tài)發(fā)生過(guò)程的機(jī)械機(jī)制，人們開(kāi)發(fā)了許多模擬細(xì)胞群體（細(xì)胞單層）的離散模型，如頂點(diǎn)模型，Pott模型和Flocking模型等。其中，應(yīng)用最廣泛的是頂點(diǎn)模型，它可以成功地再現(xiàn)細(xì)胞的大部分運(yùn)動(dòng)行為，但由于計(jì)算成本較大，通常局限于研究小規(guī)模細(xì)胞群。此外，現(xiàn)有模型也常常忽略與細(xì)胞形態(tài)和特性密切相關(guān)的細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)。隨著生物物理/生物化學(xué)機(jī)制的數(shù)學(xué)描述的復(fù)雜性和組織規(guī)模/維度的增加，降低細(xì)胞單層時(shí)空演化的計(jì)算成本成為了一個(gè)突出的挑戰(zhàn)。

  為實(shí)現(xiàn)探究細(xì)胞單層力學(xué)機(jī)制的高效性、準(zhǔn)確性和全面性，西安交通大學(xué)徐光魁教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于結(jié)構(gòu)剛度矩陣的計(jì)算方法(SMM)，該方法可以準(zhǔn)確、快速地評(píng)估細(xì)胞單層的力學(xué)性能和模擬大規(guī)模細(xì)胞群變形與運(yùn)動(dòng)行為(圖1)。利用該方法，模擬了細(xì)胞單層在線性和階躍應(yīng)變加載方式下的變形行為。進(jìn)一步，考慮細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)特征，研究了不同尺度變化對(duì)細(xì)胞單層力學(xué)行為的影響。

圖1  含有細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的上皮單層模型及計(jì)算方法流程

無(wú)細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的上皮單層力學(xué)行為

  首先，利用發(fā)展的SMM方法模擬了細(xì)胞單層在線性和階躍應(yīng)變下的力學(xué)響應(yīng)，并將得到的結(jié)果與傳統(tǒng)頂點(diǎn)模型(VM)的結(jié)果進(jìn)行比較，如圖2和3所示。結(jié)果表明：兩種方法求解的應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎一致，驗(yàn)證了模型的有效性。在模擬細(xì)胞群時(shí)，本文提出的SMM方法比VM模型具有明顯更高的計(jì)算效率。特別是，當(dāng)模擬大規(guī)模細(xì)胞群或大變形時(shí)，新發(fā)展的SMM方法計(jì)算速度比傳統(tǒng)VM方法快一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。因此，該方法也將有望在大規(guī)模組織的時(shí)空動(dòng)態(tài)演化建模中得以應(yīng)用。

圖2 模擬線性和階躍應(yīng)變加載下細(xì)胞單層的方法驗(yàn)證與比較

圖3  剛度矩陣模型與傳統(tǒng)頂點(diǎn)模型的時(shí)間效率比較

具有細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的上皮單層力學(xué)行為

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