群體細胞遷移在胚胎發育、傷口愈合、腫瘤轉移等生理學和病理學過程中都至關重要。一維約束下，單個細胞會出現往復的振蕩或持續定向運動，而在二維約束下則往往呈現隨機游走行為，這種維持運動方向的能力被稱作運動持續性，在多細胞系統中，不同細胞間相互作用會使得集體細胞涌現出不同于單細胞的運動模式。目前，人們已實驗發現集體旋轉、振蕩、漩渦等持續性達幾十小時的多種運動模式。如何理解單個細胞內在特性與外部環境作用對細胞群體運動持續性的調控作用尚不清晰。
為解決上述問題，西安交通大學徐光魁教授課題組對幾何約束下的群體細胞運動模式進行了系統研究，開發了考慮細胞記憶效應的主動頂點模型。考慮細胞與過去速度相關的具有記憶效果的極性主動力，在圓環約束下，發現細胞群在一定主動力和極性記憶時間時會出現具有穩定周期的集體自發反轉行為（圖1），在每個周期內，細胞群會進行相同時間尺度的順時針和逆時針協同旋轉，并在短時間內快速改變其旋轉方向，這與多細胞、細菌等活性物質系統中發現的集體自發反轉現象較為一致。
圖1 圓環約束下的集體細胞自發周期反轉行為
此外，實驗表明細胞間的相互作用對于組織的集體運動模式具有調控作用。研究人員探究了細胞間連接強度對反轉過程中的反轉傳播速度的影響，結果表明反轉從圓環內圈起始向外圈傳播，傳播速度隨細胞間連接的增強而增大，之后穩定在一個閾值附近，這與組織由類液體到類固體的轉變有關（圖2）。同時，傳播速度與每個周期內細胞的旋轉速度接近，這可能與區域內的細胞密度有關。
圖2 反轉過程的傳播特征
通過分析反轉過程的主動力和被動力演化，研究人員指出了約束區域內細胞群周期自發反轉的物理機制：由單個細胞的極性記憶導致主動力與速度的不對齊，這使得細胞傾向于減弱旋轉，而當不斷增大的被動力在旋轉方向超過主動力（圖3），引發局部細胞反轉。此時，由于反轉細胞帶來的阻礙，更多細胞開始發生反轉，最終整個區域內的細胞均沿相反方向進行集體旋轉。
圖3 集體細胞反轉過程力分量的演化
最后，研究人員探究了不同約束尺寸、細胞主動力和極性記憶強度下的集體細胞運動模式，發現與已有研究一致的全局旋轉（GR）、周期反轉（REV）、振蕩（OSC）和局部漩渦（LS）等四種集體運動模式，并提煉了一個極性序參數用于刻畫這些運動模式，研究結果為深入理解集體細胞的時空自組織動力學提供了新的視角。
圖4 不同參數的集體運動模式相圖和極性序參數
以上研究成果以“Time-dependent active force drives periodic reversal in collective cell migration”為題于8月13日發表在《Biophysical Journal》上。文章第一作者為西安交通大學航天航空學院碩士生李辰赫，合作者有西安交通大學博士殷旭，西安交通大學博士生何雙全，唯一通訊作者是西安交通大學航天航空學院多尺度力學-醫學交叉實驗室徐光魁教授。徐光魁教授主要研究方向為活性材料力學、多尺度力學、醫工交叉等，在單細胞、細胞群體、軟組織等不同尺度上研究活性材料的變形與運動機制。現任中國力學學會首屆青托委員會副主任，中國力學學會生物力學專業委員會委會、中國力學學會軟物質力學工作組委員、陜西省生物力學專業委員會副主任、SCI期刊《Discover Applied Science》編委、《International Journal of Computational Materials Science and Engineering》編委、《Acta Mechanica Sinica》青年編委、《醫用生物力學》編委等。發表論文120余篇，第一/通訊作者論文80余篇，包括生物力學旗艦期刊Biophysical Journal（10篇）、固體力學旗艦期刊JMPS（9篇）、綜合類旗艦期刊Nature Communications、Science Advances、Nano Letters（4篇）、ACS Nano（3篇）、Acta Biomaterialia（2篇）、Advanced Materials等。2015年入選中國科協首屆“青年人才托舉工程”、2017年入選陜西省高校首屆“青年杰出人才”、2018年獲陜西省杰出青年科學基金、2021年獲國家優秀青年科學基金（結題優秀）、2024年獲陜西省優秀博士學位論文指導教師，2025年獲第十九屆中國力學學會青年科技獎。這些研究得到了國家自然科學基金面上項目、優秀青年基金項目等資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.bpj.2025.08.011
