在许多生理和病理过程中（如胚胎发育、肿瘤转移等），细胞群体迁移都扮演着至关重要的角色。最近，较多的研究发现了在上皮细胞群体扩散过程中会自发涌现出机械波现象，这些涌现现象在局限的细胞簇、扩张的菌落、碰撞的细胞单层等很多情形下都被观察到。同时，细胞群体展现出丰富的运动模式，如正常上皮细胞群体涌现出的X型波和肿瘤上皮细胞群体涌现出的V型波。这些波动行为形成了复杂而精确的信号网络，为调控细胞单层的运动与变形提供了重要的指导。例如，环状波在细胞单层内陷过程中诱导上皮弯曲、机械波信号可以精准诱导鱼尾鳍再生、密度波控制着鸟类羽毛的生长速率和排列方式等。这些例子突显了生命体内部微观层面的动态行为与整体功能之间的紧密关联，为新功能活性材料的设计提供了深刻启示。同时，这些现象“涌现”出一些有趣的力学问题：为什么机械波可以在密集的细胞层中自发产生？调节这些波模式的力学机制是什么？基于此，徐光魁教授团队采用傅里叶特征算子方法，首次分析了实验中报道的诸多波动行为的时空图像，并计算了它们的传播频率。令人惊讶的是，相同类型的细胞群体变形却可以形成显著不同的频率，甚至相差一个数量级（5.0 ~ 48.2 Hz）。这一有趣的发现又引发了耐人寻味的问题：波的频率与哪些因素有关？为什么同一细胞类型形成的波频差异如此之大？

图2 X型波及其波频与局部密度的幂律关系

图3 波的模式取决于细胞主动力的分布

  以上研究成果以“Emergence, pattern, and frequency of spontaneous waves in spreading epithelial monolayers”为题于2024年3月14日发表在《Nano Letters》上。文章第一作者为西安交通大学博士生殷旭，合作者有西安交通大学刘咏泉副教授，北京科技大学张立元教授和西安交通大学博士生梁栋，唯一通讯作者是西安交通大学徐光魁教授。徐光魁教授主要研究方向为活性材料力学、多尺度力学，在单细胞、细胞群体、软组织等不同尺度上探究活性材料的变形与运动机制。现任中国力学学会首届青托委员会副主任、中国力学学会固体力学专业委员会生物材料与仿生专业组副组长、中国力学学会软物质力学工作组委员、陕西省力学学会理事、《SN Applied Science》编委、《International Journal of Computational Materials Science and Engineering》编委、《Acta Mechanica Solida Sinica》特邀青年编委、《医用生物力学》编委等。发表论文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。这些研究得到了国家自然科学基金面上项目、优秀青年基金项目等资助。

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c04876

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