作为重要的生理功能，上皮组织形态发生是一个多尺度动态过程。这一过程中，机械信号对正常的细胞活动包括增殖、分化、迁移等的调控是必不可少的。为了揭示上皮单层复杂形态发生过程的机械机制，人们开发了许多模拟细胞群体（细胞单层）的离散模型，如顶点模型，Pott模型和Flocking模型等。其中，应用最广泛的是顶点模型，它可以成功地再现细胞的大部分运动行为，但由于计算成本较大，通常局限于研究小规模细胞群。此外，现有模型也常常忽略与细胞形态和特性密切相关的细胞骨架结构。随着生物物理/生物化学机制的数学描述的复杂性和组织规模/维度的增加，降低细胞单层时空演化的计算成本成为了一个突出的挑战。

  为实现探究细胞单层力学机制的高效性、准确性和全面性，西安交通大学徐光魁教授团队提出了一种基于结构刚度矩阵的计算方法(SMM)，该方法可以准确、快速地评估细胞单层的力学性能和模拟大规模细胞群变形与运动行为(图1)。利用该方法，模拟了细胞单层在线性和阶跃应变加载方式下的变形行为。进一步，考虑细胞骨架结构特征，研究了不同尺度变化对细胞单层力学行为的影响。

图1  含有细胞骨架结构的上皮单层模型及计算方法流程

无细胞骨架结构的上皮单层力学行为

  首先，利用发展的SMM方法模拟了细胞单层在线性和阶跃应变下的力学响应，并将得到的结果与传统顶点模型(VM)的结果进行比较，如图2和3所示。结果表明：两种方法求解的应力-应变曲线几乎一致，验证了模型的有效性。在模拟细胞群时，本文提出的SMM方法比VM模型具有明显更高的计算效率。特别是，当模拟大规模细胞群或大变形时，新发展的SMM方法计算速度比传统VM方法快一个数量级以上。因此，该方法也将有望在大规模组织的时空动态演化建模中得以应用。

图2 模拟线性和阶跃应变加载下细胞单层的方法验证与比较

图3  刚度矩阵模型与传统顶点模型的时间效率比较

具有细胞骨架结构的上皮单层力学行为

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2022.105077