群体细胞迁移在胚胎发育、伤口愈合、肿瘤转移等生理学和病理学过程中都至关重要。一维约束下，单个细胞会出现往复的振荡或持续定向运动，而在二维约束下则往往呈现随机游走行为，这种维持运动方向的能力被称作运动持续性，在多细胞系统中，不同细胞间相互作用会使得集体细胞涌现出不同于单细胞的运动模式。目前，人们已实验发现集体旋转、振荡、漩涡等持续性达几十小时的多种运动模式。如何理解单个细胞内在特性与外部环境作用对细胞群体运动持续性的调控作用尚不清晰。

  为解决上述问题，西安交通大学徐光魁教授课题组对几何约束下的群体细胞运动模式进行了系统研究，开发了考虑细胞记忆效应的主动顶点模型。考虑细胞与过去速度相关的具有记忆效果的极性主动力，在圆环约束下，发现细胞群在一定主动力和极性记忆时间时会出现具有稳定周期的集体自发反转行为（图1），在每个周期内，细胞群会进行相同时间尺度的顺时针和逆时针协同旋转，并在短时间内快速改变其旋转方向，这与多细胞、细菌等活性物质系统中发现的集体自发反转现象较为一致。

图1 圆环约束下的集体细胞自发周期反转行为

  此外，实验表明细胞间的相互作用对于组织的集体运动模式具有调控作用。研究人员探究了细胞间连接强度对反转过程中的反转传播速度的影响，结果表明反转从圆环内圈起始向外圈传播，传播速度随细胞间连接的增强而增大，之后稳定在一个阈值附近，这与组织由类液体到类固体的转变有关（图2）。同时，传播速度与每个周期内细胞的旋转速度接近，这可能与区域内的细胞密度有关。

图2 反转过程的传播特征

  通过分析反转过程的主动力和被动力演化，研究人员指出了约束区域内细胞群周期自发反转的物理机制：由单个细胞的极性记忆导致主动力与速度的不对齐，这使得细胞倾向于减弱旋转，而当不断增大的被动力在旋转方向超过主动力（图3），引发局部细胞反转。此时，由于反转细胞带来的阻碍，更多细胞开始发生反转，最终整个区域内的细胞均沿相反方向进行集体旋转。

图3 集体细胞反转过程力分量的演化

  最后，研究人员探究了不同约束尺寸、细胞主动力和极性记忆强度下的集体细胞运动模式，发现与已有研究一致的全局旋转（GR）、周期反转（REV）、振荡（OSC）和局部漩涡（LS）等四种集体运动模式，并提炼了一个极性序参数用于刻画这些运动模式，研究结果为深入理解集体细胞的时空自组织动力学提供了新的视角。

图4 不同参数的集体运动模式相图和极性序参数

  以上研究成果以“Time-dependent active force drives periodic reversal in collective cell migration”为题于8月13日发表在《Biophysical Journal》上。文章第一作者为西安交通大学航天航空学院硕士生李辰赫，合作者有西安交通大学博士殷旭，西安交通大学博士生何双全，唯一通讯作者是西安交通大学航天航空学院多尺度力学-医学交叉实验室徐光魁教授。徐光魁教授主要研究方向为活性材料力学、多尺度力学、医工交叉等，在单细胞、细胞群体、软组织等不同尺度上研究活性材料的变形与运动机制。现任中国力学学会首届青托委员会副主任，中国力学学会生物力学专业委员会委会、中国力学学会软物质力学工作组委员、陕西省生物力学专业委员会副主任、SCI期刊《Discover Applied Science》编委、《International Journal of Computational Materials Science and Engineering》编委、《Acta Mechanica Sinica》青年编委、《医用生物力学》编委等。发表论文120余篇，第一/通讯作者论文80余篇，包括生物力学旗舰期刊Biophysical Journal（10篇）、固体力学旗舰期刊JMPS（9篇）、综合类旗舰期刊Nature Communications、Science Advances、Nano Letters（4篇）、ACS Nano（3篇）、Acta Biomaterialia（2篇）、Advanced Materials等。2015年入选中国科协首届“青年人才托举工程”、2017年入选陕西省高校首届“青年杰出人才”、2018年获陕西省杰出青年科学基金、2021年获国家优秀青年科学基金（结题优秀）、2024年获陕西省优秀博士学位论文指导教师，2025年获第十九届中国力学学会青年科技奖。这些研究得到了国家自然科学基金面上项目、优秀青年基金项目等资助。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bpj.2025.08.011