上皮细胞几何形态为基于图像的组织内应力推断提供稳健方法

细胞力学在上皮形态发生中发挥重要作用，该过程中细胞重塑并重新排列以产生组织尺度的形变。然而，由于体内应力直接测量的困难，组织尺度力学的研究受到阻碍。基于图像的替代推断方案旨在从细胞几何形态的快照估计应力，但面临对涨落和测量噪声的敏感性以及对边界条件的依赖等挑战。在此，我们克服这些困难，引入一种新的变分方法——几何变分法（Geometrical Variation Method, GVM）——其利用了近似细胞组织的离散力学网络在力学平衡状态下应力与细胞几何之间固有的对偶性。在几何变分法中，上皮组织的二维顶端几何由圆形弧多边形（Circular Arc Polygons, CAP）的二维拼贴来近似，其中弧表示由相邻细胞间局部线张力与压力差平衡所定义的细胞间界面。我们利用力学平衡施加于CAP几何的局部约束，定义了一种变分过程，可从上皮单层的图像中提取最佳拟合的平衡构型。基于GVM的应力推断算法已通过将预测的细胞尺度和介观尺度应力与果蝇胚胎发生期间上皮组织中测量的肌球蛋白II模式进行比较而得到验证。GVM对介观应力张量的预测与测量的肌球蛋白分布相关性达80%水平，并揭示大部分肌球蛋白II活性参与上皮层内的静态内力平衡。最后，本研究为活体上皮组织中应力的非破坏性估计提供了一种实用方法。