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物理学 > 生物物理

arXiv:2508.17974v1 (physics)
[提交于 2025年8月25日 ]

标题: 细胞流架构揭示生物物质的隐藏机制

标题: Cellular Flow Architecture Exposes the Hidden Mechanics of Biological Matter

Authors:Tianxiang Ma, Valeriia Grudtsyna, Robin V. Bölsterli, Amin Doostmohammadi
摘要: 理解生物力学重组如何控制诸如形态发生和发育等关键生物过程,需要对应力分布和细胞行为的预测性见解。 尽管传统方法关注细胞运动作为对压力的响应,我们证明拉格朗日相干结构(LCSs)——细胞流中的强吸引子和排斥子——先于并驱动长期的细胞间应力重组,这在物理上由细胞间连接的机械特性所决定。 我们表明,这种隐藏的流骨架与生物力学指标有很强的相关性,将微观细胞运动与介观生物力学联系起来。 具体而言,吸引子和排斥子标记了压缩和张力应力增强的热点(超过十倍),以及细胞排列的异质性。 值得注意的是,这些联系在细胞间和细胞基底力传递的不同强度下仍然稳健。 最后,通过将流骨架中的吸引区域与未来的细胞挤出点相关联,我们建立了细胞运动与生物学重要结果之间的直接联系。 综上所述,这些发现建立了一个框架,用于通过细胞运动独立推断生物力学指标,并弥合细胞运动与生物力学之间的尺度不匹配,可能为直接从细胞轨迹解释机械敏感的生物过程提供了一条新途径。
摘要: Understanding how biomechanical reorganization governs key biological processes, such as morphogenesis and development, requires predictive insights into stress distributions and cellular behavior. While traditional approaches focused on cell motion as a response to stress, we demonstrate that Lagrangian coherent structures (LCSs) -- robust attractors and repellers in cellular flows -- precede and drive long-term intercellular stress reorganization, physically governed by the mechanical properties of intercellular junctions. We show that this hidden flow skeleton correlates strongly with biomechanical metrics, bridging microscopic cell motion with mesoscopic biomechanics. Specifically, attractors and repellers mark hotspots of compressive and tensile stress enrichment (exceeding tenfold), alongside heterogeneities in cell packing. Notably, these connections remain robust across varying strengths of cell-cell and cell-substrate force transmission. Finally, by linking the attracting regions in the flow skeleton to future cell extrusion spots, we establish a direct link between cell motion and biologically significant outcomes. Together, these findings establish a framework for using cell motion to independently infer biomechanical metrics and bridge the scale mismatch between cell motion and biomechanics, potentially offering a new route to interpret mechanosensitive biological processes directly from cell trajectories.
评论: 13页,5图
主题: 生物物理 (physics.bio-ph) ; 软凝聚态物理 (cond-mat.soft)
引用方式: arXiv:2508.17974 [physics.bio-ph]
  (或者 arXiv:2508.17974v1 [physics.bio-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.17974
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Tianxiang Ma [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2025 年 8 月 25 日 12:41:28 UTC (21,173 KB)
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