上皮组织动态平衡及其力学行为的多尺度研究

Epithelial tissues play a vital role in a wide range of physiological and pathological processes, such as embryonic development, wound healing and tumor metastasis. During these processes, epithelial tissues sense, generate, and exert mechanical forces to perform their functions through adherens junctions and epithelial cells. However, because of the complexity of the spatio-temporal evolution of adherens junctions and epithelial cells, the mechanical behaviors of epithelial tissues are rarely known. By using multiscale methods, we aim to intensively study the homeostasis and mechanical behaviors of epithelial tissues at the molecular and cellular scales, and reveal the dependence of epithelial mechanical properties on its internal components. By utilizing statistical mechanics, we will investigate the quantitative relationship between mechanical properties of a single adhesion molecule and adherens junctions. By using continuum mechanics, we will study the effects of adherens junctions and cell behaviors on the mechanical properties of epithelial tissues. Furthermore, we will explore the roles of local changes and external geometrical constraints in the epithelial tissue homeostasis and the movement of its constituent cells. Finally, we will develop a multiscale mechanical model to establish the connection between molecules, cells, and tissues, and explore the relationship between mechanical behaviors of adhesion molecules, epithelial cells and tissues. This research will be helpful for understanding the mechanisms of collective cell movement, and reveal the mechanical basis of epithelial tissue behaviors at the molecular and cellular scales.

上皮组织在胚胎发育、伤口愈合和肿瘤转移等众多生理学和病理学过程中都起着至关重要的作用。在这些过程中，上皮组织通过粘着连接和上皮细胞来感受、生成和运用机械力，以便实现它的功能。然而，由于粘着连接和细胞时空演化的复杂性，上皮组织本身的力学行为却知之甚少。本项目拟通过多尺度方法，从分子和细胞层面深入研究上皮组织的动态平衡和力学行为，揭示上皮组织力学性能与其内部组分之间的关系。利用统计力学，研究单个粘附分子与粘着连接力学性能之间的定量关系。利用连续介质力学，建立粘着连接和细胞行为与上皮组织力学性能之间的联系。进而，探讨局部异常和外在几何限制对上皮组织动态平衡及其内部细胞运动的影响。最终，建立一个从分子到细胞，从细胞到组织的多尺度力学模型，明确粘附分子、上皮细胞、上皮组织力学行为之间的关系。本项目将有助于人们理解集体细胞运动的物理机制，并揭示上皮组织行为在分子和细胞尺度的力学基础。

上皮组织在胚胎发育、伤口愈合和肿瘤转移等众多生理学和病理学过程中都起着至关重要的作用。然而，由于粘着连接和细胞时空演化的复杂性，上皮组织本身的力学行为却知之甚少。本项目主要发展多尺度方法来研究上皮组织的动态平衡及其力学行为，在分子、细胞、组织等多个尺度上讨论上皮组织局部与整体性能之间的关系。首先，我们建立了粘附分子trans 和cis协同结合的多尺度力学模型，指出界面粘附强度具有尺寸效应，可解释细胞牵引力与粘附面积关系的“矛盾”实验结果：在小尺度粘附面积下，细胞牵引力正比于面积；而在大尺度粘附面积下，牵引力是常数，与面积无关。其次，基于基底牵引力，建立了考虑活性分子机制的细胞骨架力学模型，可定量预测目前已知的所有加载条件、基底刚度等因素对细胞方位影响的实验现象。进一步阐明细胞骨架初始构型的随机涨落对细胞最终形貌的影响规律，理论预测和实验结果吻合良好。再次，提出了一个耦合表面张力效应的接触力学方法，可更准确和精确地测量细胞的弹性模量，这一方法也被国内外同行广泛应用其他生物软材料力学性质的测量。最后，发展了顶点模拟方法研究上皮组织的力学性质，揭示了上皮组织和上皮细胞弹性模量巨大差异的力学机制，并阐明了上皮组织与单个上皮细胞在梯度刚度基底上的迁移规律。本项目将有助于人们理解集体细胞运动的物理机制，并揭示上皮组织行为在分子和细胞尺度的力学基础。