PhysiCelldFBA：连接单细胞基因组尺度代谢与空间显式的多细胞动力学

内容形式：摘要译文

基因组尺度代谢模型能够预测单个细胞如何分配资源并响应其环境，然而，很少有框架能够将单细胞代谢与多细胞系统的空间组织联系起来。在此，我们提出 PhysiCelldFBA，这是对 PhysiCell 基于智能体框架的扩展，将基因组尺度的动态通量平衡分析与非格点多细胞模拟相结合。每个模拟细胞都携带自身的代谢模型，使局部环境条件能够塑造细胞代谢，同时代谢活动也会反过来影响周围环境、细胞行为和空间组织。我们首先验证了这种耦合：在封闭的大肠杆菌系统中，葡萄糖消耗、CO₂ 生成和生物量累积保持质量平衡，且模拟所得生物量与解析预测值的偏差在 1% 以内。随后，我们展示了这种耦合如何在微生物和哺乳动物系统中促成代谢表型的形成。在不断生长的大肠杆菌菌落中，空间营养梯度会产生代谢分层和乙酸交叉营养；在肿瘤样组织中，受扩散限制的代谢会使多种代谢物形成增殖区、缺氧区和坏死区；在双物种联合体中，不同且具有物种特异性的代谢网络会促成交叉营养和空间生态位的形成；代谢状态还会将能量可用性与细胞在运动和生长之间的转换联系起来。在这些示例中，代谢分层、交叉营养和表型适应均源于局部代谢优化及环境反馈，而非预先明确设定。因此，PhysiCelldFBA 提供了一个通用框架，可用于在单细胞分辨率下模拟基因组尺度代谢，并且

将细胞内代谢状态与细胞行为以及跨尺度涌现的组织结构联系起来。

关键词：基因组尺度代谢模型 · 动态通量平衡分析 · 多细胞模拟 · 空间代谢建模 · 交叉营养

原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.02.748294v1?rss=1