带异构细胞尺寸的最小细胞自动机模型预测上皮组织囊体生长

细胞增殖的调控是组织发育和稳态中的关键方面，在形态形成、伤口愈合和肿瘤侵犯中发挥主要作用。这种调控的一个现象是接触抑制，即当多个细胞相互接触时，其增殖、迁移和个体细胞生长会显著减缓。虽然已知许多生理、分子和基因因素，但接触抑制的机制仍未完全理解。特别是由于界面接触引起的细胞信号对接触抑制的相关性仍存在争议。细胞自动机(CA)过去被用于作为数值上高效的数学模型来研究细胞群体的动力学，但它们不适合探讨接触抑制的起源，因为此类基于智能体的模型假设固定的细胞尺寸。我们发展了一个最小且数据驱动的模型，通过扩展概率CA模型以纳入生长和细胞分裂期间单个细胞尺寸变化，来模拟平面细胞培养的动力学。我们成功地将该模型应用于前人体外接触抑制实验：在对模型参数进行系统校准以匹配单个细胞动力学的测量值后，我们的CA模型定量地再现了独立测量的突出性、培养范围内特征，如囊体尺寸、细胞密度和集体细胞迁移。在 particular，CA模型的动力学也表现出从低密度准均匀区向平稳后准均匀区的转变，伴随细胞尺寸和运动的快速下降。这表明，体积排斥原理——即唯一纳入模型中的细胞间相互作用的机械约束——配合尺寸相关的增殖速率，足以产生观察到的接触抑制现象。