弦状激发与拓扑缺陷调控内皮细胞层有序化动力学

《Nature Physics》：Strings and topological defects govern ordering kinetics in endothelial cell layers

本研究通过实时大规模成像与物理建模，揭示了内皮细胞层在剪切流诱导下经历三阶段有序化动力学过程。研究人员发现，细胞活性与外部流场竞争产生拓扑缺陷弦状结构，介导缺陷对 annihilation，阐明生物组织中存在中间相有序化机制。该成果为理解血管重塑、胚胎发育等生理过程中细胞集体运动调控提供了新范式。

　　

自1858年Virchow发现血管内皮形态与血流模式的关联以来，科学界一直致力于揭示内皮细胞排列的生物学意义。在主动脉中高度有序排列的内皮细胞，与分叉点处的错位形成鲜明对比，这种组织尺度的全局有序性被视为血管化、组织再生和形态发生的关键特征。然而，愈来愈多的证据表明，局部有序性被破坏的区域——拓扑缺陷，恰恰是细胞凋亡、组织稳态和干细胞聚集等生物活动的热点区域。

在非生命体系中，局部缺陷主导无序相向有序相转变的机制已得到充分阐释，从超流体熔化到超导体应用均受益于此。但对于生命体系而言，细胞在无序和有序状态之间的转变动力学仍笼罩在迷雾之中。体外研究多聚焦于稳态性质表征，对中间状态的认知缺失导致内皮细胞排列观察结果存在矛盾，甚至出现垂直于血流方向的异常排列报道。为了破解这一难题，德国慕尼黑工业大学Andreas R. Bausch团队与哥本哈根大学Amin Doostmohammadi团队合作，通过时间分辨大规模成像结合活性向列相理论模型，揭示了剪切流驱动内皮细胞有序化的动态全过程。

研究人员采用人主动脉内皮细胞（HAOEC）模型，在生理相关剪切应力（15 dyn cm^-2）条件下进行长达64小时的连续观测。通过自动显微镜系统拼接毫米级视野，首次捕捉到内皮细胞有序化过程呈现典型的三个阶段特征：初始有序阶段（0-9小时）细胞沿流动方向伸长排列，拓扑缺陷密度下降；中间失序阶段（10-29小时）出现细胞排列短暂紊乱和缺陷密度反弹；稳态有序阶段（30小时后）重新建立长程取向有序。这种非单调动力学与被动材料的单调有序化形成鲜明对比，提示细胞层内在活性与外部流场存在复杂博弈。

关键技术方法包括：原代内皮细胞灌注培养系统、毫米尺度时间分辨成像技术、基于图像梯度的向列相导向场提取算法、拓扑缺陷自动识别方法，以及结合晶格玻尔兹曼方法的活性向列相数值模拟。

有序化动力学的三阶段特征

通过量化局部向列相导向场和拓扑缺陷演化，研究发现缺陷密度变化与全局有序参数呈现非单调关联。大视野观测（>500μm×500μm）是捕获一致动力学的关键，小视野会因统计不足产生显著偏差。模拟结果进一步证实，只有当细胞活性与流场对齐强度的特征时间尺度相近时，才会出现三阶段动力学。

局部活性与全局剪切的相互作用

活性向列相模拟揭示相图存在四个典型区域：低活性强场区的单调有序（橙色）、中间参数区的三阶段动力学（蓝色）、低参数区的各向同性态（绿色）以及高活性区的主动湍流（红色）。实验中发现细胞密度增加会增强单层活性，在高密度条件下重现非单调动力学，这与模型预测高度一致。

各向异性关联长度

由于剪切流设定的优先取向轴，局部向列有序的粗化呈现显著各向异性。通过分析垂直和平行于流动方向的关联函数，发现有序区域主要沿优先轴方向扩展。模拟与实验均显示平行方向关联长度ξ_∥的增长远超垂直方向ξ_⊥，这种不对称性源于内皮细胞自发旋转打破镜像对称性。

三阶段动力学标度行为

初始有序阶段关联长度ξ_∥呈t^1/2增长，符合扩散主导的标度律；中间失序阶段关联函数渐近值不再趋于零，出现真长程有序特征，ξ_∥增长停滞伴随缺陷密度回升；稳态有序阶段系统恢复动态标度行为，缺陷间对数相互作用主导粗化过程。这种标度行为的转变反映了不同阶段主导物理机制的更替。

缺陷对的空间异质分布

缺陷动力学分析揭示，新缺陷对成核高度局部化，形成缺陷富集区与空白区交替的异质格局。最近邻相反电荷缺陷对保持固定距离（123±11μm，约11个细胞尺寸），而高阶邻对距离随粗化过程增加，表明缺陷以团簇形式存在且团簇间逐渐稀疏。

弦状激发调控缺陷动力学

研究首次发现拓扑缺陷通过弦状结构相互束缚的物理机制。外部流场打破向列相旋转对称性后，定义-π/2至π/2的导向域会产生能隙分化：平行于流动的等相线（绿色）能垒最低，垂直等相线（红色）能垒最高。缺陷对的引入使弦结构分裂为红绿交替片段，高能垒红弦产生额外吸引力抵消活性解绑能，使缺陷对保持稳定。

实验证实长寿命缺陷对严格沿弦分布，缺陷运动局限于弦路径。平行弦长度在粗化后期占主导，这些跨细胞尺度的结构为机械力长程传递提供通道。模拟显示弦结构通过弯曲变形聚焦主动应力，产生逆流与顺流方向的细胞位移，实现取向场与速度场的耦合。

该研究通过建立活性物质与对称性破缺场相互作用的理论框架，将内皮细胞排列动力学归结为竞争时间尺度与共存对称性的自然涌现。当采用交流场模拟时，只要频率高于其他特征时间尺度，仍可重现相似粗化动力学，证明机制具有普适性。弦状激发的发现建立了内皮细胞层与二维反铁磁凝聚体在磁场下的超流相之间的生物学类比，为理解发育过程中形态发生素梯度介导的组织极化和图案形成提供了新视角。

这项研究不仅解决了内皮细胞排列动力学中长期存在的矛盾观察，更揭示了中间有序相在生物系统中的普适性意义。在胚胎发生中多种物种均观察到向列相和拓扑缺陷的存在，提示该机制可能广泛参与细胞命运决定和组织形态构建。未来通过分子手段调控机械信号转导通路，将有望在保持内皮细胞流场感知能力的前提下解耦活性与密度效应，进一步深化对生命系统有序化调控规律的认识。