在許多生理和病理過程中（如胚胎發(fā)育、腫瘤轉移等），細胞群體遷移都扮演著至關重要的角色。最近，較多的研究發(fā)現(xiàn)了在上皮細胞群體擴散過程中會自發(fā)涌現(xiàn)出機械波現(xiàn)象，這些涌現(xiàn)現(xiàn)象在局限的細胞簇、擴張的菌落、碰撞的細胞單層等很多情形下都被觀察到。同時，細胞群體展現(xiàn)出豐富的運動模式，如正常上皮細胞群體涌現(xiàn)出的X型波和腫瘤上皮細胞群體涌現(xiàn)出的V型波。這些波動行為形成了復雜而精確的信號網絡，為調控細胞單層的運動與變形提供了重要的指導。例如，環(huán)狀波在細胞單層內陷過程中誘導上皮彎曲、機械波信號可以精準誘導魚尾鰭再生、密度波控制著鳥類羽毛的生長速率和排列方式等。這些例子突顯了生命體內部微觀層面的動態(tài)行為與整體功能之間的緊密關聯(lián)，為新功能活性材料的設計提供了深刻啟示。同時，這些現(xiàn)象“涌現(xiàn)”出一些有趣的力學問題：為什么機械波可以在密集的細胞層中自發(fā)產生？調節(jié)這些波模式的力學機制是什么？基于此，徐光魁教授團隊采用傅里葉特征算子方法，首次分析了實驗中報道的諸多波動行為的時空圖像，并計算了它們的傳播頻率。令人驚訝的是，相同類型的細胞群體變形卻可以形成顯著不同的頻率，甚至相差一個數(shù)量級（5.0 ~ 48.2 Hz）。這一有趣的發(fā)現(xiàn)又引發(fā)了耐人尋味的問題：波的頻率與哪些因素有關？為什么同一細胞類型形成的波頻差異如此之大？
圖2 X型波及其波頻與局部密度的冪律關系
圖3 波的模式取決于細胞主動力的分布
以上研究成果以“Emergence, pattern, and frequency of spontaneous waves in spreading epithelial monolayers”為題于2024年3月14日發(fā)表在《Nano Letters》上。文章第一作者為西安交通大學博士生殷旭，合作者有西安交通大學劉詠泉副教授，北京科技大學張立元教授和西安交通大學博士生梁棟，唯一通訊作者是西安交通大學徐光魁教授。徐光魁教授主要研究方向為活性材料力學、多尺度力學，在單細胞、細胞群體、軟組織等不同尺度上探究活性材料的變形與運動機制，F(xiàn)任中國力學學會首屆青托委員會副主任、中國力學學會固體力學專業(yè)委員會生物材料與仿生專業(yè)組副組長、中國力學學會軟物質力學工作組委員、陜西省力學學會理事、《SN Applied Science》編委、《International Journal of Computational Materials Science and Engineering》編委、《Acta Mechanica Solida Sinica》特邀青年編委、《醫(yī)用生物力學》編委等。發(fā)表論文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。這些研究得到了國家自然科學基金面上項目、優(yōu)秀青年基金項目等資助。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c04876
下載：Emergence, pattern, and frequency of spontaneous waves in spreading epithelial monolayers
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