研究揭示Fingering Instability加速細(xì)胞群體的生長(zhǎng)

有許多重要的生物學(xué)過(guò)程會(huì)涉及到細(xì)胞群體的生長(zhǎng)，比如腫瘤增殖，微生物群落生長(zhǎng)，傷口組織愈合等。對(duì)于生長(zhǎng)的細(xì)胞群體，局域的細(xì)胞生長(zhǎng)會(huì)擠壓周?chē)募?xì)胞，從而導(dǎo)致局域壓強(qiáng)的升高。另一方面，細(xì)胞間的擠壓會(huì)反過(guò)來(lái)減緩細(xì)胞的生長(zhǎng)和細(xì)胞周期的進(jìn)程¹，從而對(duì)細(xì)胞群體的生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)反饋調(diào)節(jié)。與此同時(shí)，細(xì)胞群體在快速生長(zhǎng)過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)界面失穩(wěn)（Fingering instability）的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象十分常見(jiàn)，比如發(fā)生在上皮組織的鋪展²和生物膜的斑圖³形成中。

為了探究界面失穩(wěn)現(xiàn)象對(duì)存在壓強(qiáng)-生長(zhǎng)反饋調(diào)節(jié)的細(xì)胞群體生長(zhǎng)的影響，北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院定量生物學(xué)中心/北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的林杰課題組，建立了連續(xù)場(chǎng)力學(xué)模型，綜合理論分析與數(shù)值模擬，揭示了細(xì)胞群體生長(zhǎng)過(guò)程中界面失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這種失穩(wěn)現(xiàn)象能緩解細(xì)胞間的相互擠壓，從而促進(jìn)細(xì)胞群體的生長(zhǎng)。該工作已發(fā)表于Physical Review Letters上，題目為“Fingering Instability Accelerates Population Growth of a Proliferating Cell Collective”，并被選為編輯推薦（Editors’Suggestion）。

模型中（圖1），作者將主動(dòng)生長(zhǎng)的細(xì)胞群體和外界基質(zhì)粗理化為兩相流體，將細(xì)胞間的相互粘連處理為表面張力，并引入細(xì)胞群體和外界基質(zhì)與基底間的摩擦。同時(shí)，作者還在模型中引入了局域壓強(qiáng)對(duì)生長(zhǎng)速率的調(diào)控。數(shù)值上采用等高線法來(lái)模擬復(fù)雜的界面形態(tài)變化。

作者通過(guò)線性穩(wěn)定性分析，理論預(yù)言了界面失穩(wěn)的條件。作者發(fā)現(xiàn)在這一體系中，除了已知的通過(guò)粘性差異誘導(dǎo)的界面失穩(wěn)機(jī)制外（Saffman-Taylor不穩(wěn)定性⁴），活性生長(zhǎng)本身所帶來(lái)的界面兩側(cè)速度梯度跳變也會(huì)引起界面失穩(wěn)。作者在相圖（圖2）中展示了這一額外的失穩(wěn)機(jī)制對(duì)失穩(wěn)條件的影響，并通過(guò)數(shù)值模擬確認(rèn)了這一失穩(wěn)條件。

為了進(jìn)一步探究界面穩(wěn)定性對(duì)細(xì)胞群體生長(zhǎng)速率的影響，作者對(duì)滿(mǎn)足失穩(wěn)條件的細(xì)胞群體加上初始界面噪聲，比較其與平整界面生長(zhǎng)情形下的區(qū)別（圖3）。作者發(fā)現(xiàn)由界面失穩(wěn)所導(dǎo)致的fingers不僅僅作為活性生長(zhǎng)本身的結(jié)果，它還進(jìn)一步緩解了細(xì)胞間的相互擠壓，降低了細(xì)胞群體的內(nèi)部壓強(qiáng)，并促進(jìn)了finger內(nèi)細(xì)胞的局部生長(zhǎng)，這些效應(yīng)最終加速了細(xì)胞群體的整體生長(zhǎng)。

這項(xiàng)工作不僅從力學(xué)角度解釋了細(xì)胞群體生長(zhǎng)過(guò)程中的界面失穩(wěn)機(jī)制，還從進(jìn)化角度暗示了界面失穩(wěn)現(xiàn)象為何普遍存在：由于失穩(wěn)可以緩解細(xì)胞間的相互擠壓從而加速生長(zhǎng)，選擇壓力會(huì)使得細(xì)胞改變自身的力學(xué)性質(zhì)從而獲得進(jìn)化優(yōu)勢(shì)。本工作中，北京大學(xué)定量生物學(xué)中心博士生葉毅揚(yáng)為**作者、林杰為通訊作者。該工作獲得了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的支持。

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