利用光流与有丝分裂检测对微组织生长动力学进行无标记定量分析

尽管几何约束塑造了组织发育过程，但对由此产生的生长动力学进行定量仍然是组织工程中的核心挑战。传统方法往往难以在无需复杂标记或困难的单细胞追踪条件下捕捉多尺度动力学。在本研究中，我们利用时间分辨、无标记明场显微成像，并结合光流分析与半自动化深度学习有丝分裂检测，分析了来源于人真皮成纤维细胞的微组织在几何控制下的生长。通过提取多尺度流场并将其与组织分割相结合，我们定量表征了组织的定向动力学，将流动相对于局部组织轮廓分解为平行分量和法向分量。应用该框架，我们对静息的组织内部与推进中的生长前沿进行了对比，在生长前沿，局部动力学和细胞增殖共同驱动组织扩张。我们的结果表明，与组织主体相比，生长前沿沿组织轮廓平行方向的波动更高，平均法向流为正，且有丝分裂活性显著增强。此外，对有丝分裂事件周围流场散度的评估揭示了不同的空间行为：随着有丝分裂的开始，分裂细胞邻近区域先发生收缩，随后出现扩张。在细胞近邻之外，更广泛区域的动力学在有丝分裂开始前后保持一致；靠近生长前沿的区域表现为组织净扩张，而组织内部则表现为收缩。通过从易于获取的无标记明场成像中提取连续动力学数据，该方法可作为一种无创的补充工具，用于评估体外组织形态发生和生长动力学。这一分析框架还可扩展用于研究其他微系统中局部解析的组织形态发生与生长动力学，应用范围涵盖从胚胎到类器官。

尽管几何约束塑造了组织发育过程，但对其所导致的生长动力学进行定量表征仍然是组织工程中的核心挑战。传统方法往往难以在不依赖复杂标记或高难度单细胞追踪的情况下捕捉多尺度动力学。在本研究中，我们结合时间分辨、无标记明场显微成像、光流分析以及半自动深度学习有丝分裂检测，对来源于人真皮成纤维细胞的微组织在几何控制下的生长进行分析。通过提取多尺度流场并将其与组织分割结果整合，我们定量表征了组织的定向动力学，将流动相对于局部组织轮廓分解为平行分量和法向分量。利用该分析框架，我们对静息的组织内部与推进中的生长前沿进行了对比，在生长前沿，局部动力学和细胞增殖共同驱动组织扩张。

我们的结果表明，与组织主体相比，生长前沿表现出沿组织轮廓方向更高的波动性、正向的平均法向流动以及显著增强的有丝分裂活性。此外，对有丝分裂事件周围流动散度的评估揭示了不同的空间行为：随着有丝分裂的发生，分裂细胞邻域内先出现收缩，随后发生扩张。在细胞直接邻域之外，更广泛区域的动力学在有丝分裂开始前后保持一致；靠近生长前沿时组织整体呈净扩张，而在组织内部则表现为收缩。

通过从易于获取的无标记明场成像中提取连续动力学数据，该方法可作为一种无创的补充工具，用于评估体外组织形态发生和生长动力学。该分析框架还可拓展用于研究其他微系统中局部解析的组织形态发生与生长动力学，研究对象范围可涵盖从胚胎到类器官的多种体系。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.08.10.743847v1?rss=1

🏷️ 无标记明场成像 光流分析 有丝分裂检测 微组织生长动力学 组织形态发生