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上皮单层是许多哺乳动物器官的基础，并对众多生物学过程产生重要影响，包括细胞因子的分泌、废物的吸收以及屏障功能。在器官发育过程中，由于周围组织的生长，上皮会受到多种外部力的作用。上皮对这些外力表现出复杂的响应：在较短时间尺度（秒）上发生形变，而在较长时间尺度（分钟或小时）上发生松弛与重塑。现有的数学和计算模型通常未将亚细胞重塑纳入考虑，而是假设组织对所施加的力或应变的响应仅作用于单一时间尺度。本文在一种非晶格、以细胞中心为基础的建模框架中引入动态参考框架（Dynamic Reference Frame，DRF），从而将亚细胞重塑和组织重塑纳入模型。DRF为形态弹性理论提供了一种离散的、基于细胞的对应形式：它将每个细胞机械参考构型的演化与其瞬时形变相解耦，从而在细胞尺度上对亚细胞重塑过程——包括细胞骨架重组、肌球蛋白周转以及黏附键重塑——进行现象学描述。利用这一扩展的多细胞模型，我们再现了外部机械力作用下的多尺度响应，包括蠕变和应力松弛实验，并证明所施加形变的历史会影响组织在外力释放后的恢复过程。此外，我们还确定并量化了这些多尺度响应发生的位置及其发生方式。由此形成的建模框架能够更加细致地描述和分析生物组织的发育与功能。
上皮单层是许多哺乳动物器官的基础，并对众多生物学过程产生显著影响，包括细胞因子的分泌、废物的吸收以及屏障功能。在器官发育过程中，由于周围组织的生长，上皮会受到多种外部力的作用。上皮对这类外力表现出复杂的响应：变形发生在较短的时间尺度上（秒），而松弛与重塑则发生在较长的时间尺度上（分钟或小时）。现有的数学模型和计算模型通常未考虑亚细胞尺度的重塑，而是假定组织对外加力或应变的响应作用于单一时间尺度。本文拓展了一种非晶格、以细胞中心为基础的建模框架，引入动态参考系（Dynamic Reference Frame，DRF），以描述亚细胞和组织尺度的重塑过程。DRF为形态弹性的离散化、基于细胞的对应框架：它将每个细胞机械参考构型的演化与其瞬时变形解耦，从而在细胞尺度上对亚细胞重塑过程——包括细胞骨架重组、肌球蛋白周转以及黏附键重塑——进行现象学描述。利用这一扩展的多细胞模型，我们再现了外部机械力作用下的多尺度响应，包括蠕变和应力松弛实验，并证明外加变形的历史会影响组织在卸载后的恢复过程。此外，我们还确定并量化了这些多尺度响应发生的位置及其发生方式。由此建立的框架能够对生物组织的发育与功能进行更为细致的描述和分析。
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.09.750324v1?rss=1
🏷️ 上皮单层 多细胞力学 动态参考框架 组织重塑 细胞骨架重组 计算模型
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