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Lv, Jian-Qing; Chen, Peng-Cheng; Chen, Yun-Ping et al. · 2024 · Nature Physics

Metadata

Authors: Lv, Jian-Qing; Chen, Peng-Cheng; Chen, Yun-Ping; Liu, Hao-Yu; Wang, Shi-Da; Bai, Jianbo; Lv, Cheng-Lin; Li, Yue; Shao, Yue; Feng, Xi-Qiao; Li, Bo

DOI: 10.1038/s41567-024-02504-1

Tags: #cell-migration #continuum-mechanics #agent-based-model

📄 Quick Note

摘要概述

本文研究 hES 细胞来源的 epithelioid 单层组织中"成孔"（hole formation）的主动力学机制。作者发现：细胞主动收缩产生的组织级拉伸应力足以驱动孔的成核、扩张与融合，形成类似薄膜 dewetting 的级联形态转变（hole nucleation → coalescence → network formation）。孔扩张经历 isotropic rounding → local fracture → crack propagation → actomyosin ring 介导的 crack blunting → rounding 的可逆转变；相邻孔融合则通过一种新的"fracture–slip"机制逐层断裂 multicellular bridge。作者建立了一个 multiscale deformable polygon vertex model，纳入细胞收缩力、3D compliant substrate 上的 integrin–fibronig clutch 介导的 rigidity sensing、cell–cell adhesion 与 supracellular actomyosin ring 张力，定量再现了实验现象，并给出 cell contraction–substrate rigidity–adhesion 三参数相图，区分 hole opening 与 hole closing 区域。结论是 living tissue 通过跨尺度力学协调（molecular clutch → cellular contraction → tissue-level stress → supracellular ring）实现拓扑转变，同时降低对单个细胞的机械损伤风险。

关键图表

  • Fig. 1：实验总览。hES 细胞在 PA gel (E=0.2 kPa) 上形成单层后撤除 ROCK inhibitor Y27632 触发主动收缩，自发成孔并形成 multicellular network；ROCK 抑制浓度梯度显示 contractility 越弱孔越少越小，并验证 supracellular actomyosin ring 在孔缘的组装（PM-GFP/actin/myosin 共定位）及其被 Y27632 破坏后出现的 finger-like protrusions。
  • Fig. 3：rounding–fracture–rounding 转变。traction force microscopy + 基于 intrinsic strain 的 monolayer stress microscopy 显示高拉伸应力集中於孔缘，触发 receptor–ligand bond 逐个断裂形成 crack，随后 supracellular actomyosin ring 钝化裂纹、应力集中因子下降、孔回归圆形扩张；laser ablation 破坏 ring 会立即诱发 fracture。
  • Fig. 5k：相图。以 cell contraction、substrate rigidity、cell–substrate adhesion 三参数划分 hole opening / hole closing 区域，表明 rigidity sensing 与 adhesion 的力与细胞收缩力相互竞争决定拓扑演化，这是与 passive thin-film dewetting 的本质区别。

与我的关联

本文展示了 continuum-level stress + active cell contraction 的 vertex model 如何与 traction force microscopy 互证，其"组织级拉伸应力驱动局部断裂、再由 actomyosin ring 钝化"的应力调控逻辑对 vascular G&R 中 stress-driven remodeling 与组织完整性维持有直接借鉴价值；fracture–slip 机制提示在多细胞协调变形中存在"分层释放应力"的鲁棒策略，值得在血管壁细胞-ECM 界面建模中考虑。