ForSys：基于时序显微成像的非侵入性组织应力推断工具及其在发育力学中的应用

《iScience》：ForSys: Non-invasive stress inference from time-lapse microscopy

本研究针对活体组织中机械力难以直接测量的难题，开发了开源软件ForSys，通过时序显微图像推断细胞间应力和细胞内压力。研究团队结合静态与动态推断模式，在斑马鱼侧线器官发育和非洲爪蟾上皮模型中验证了其准确性，揭示了细胞分裂、上皮罗塞特形成及平面细胞翻转过程中的力学不对称性。该工具支持Fiji图形界面、命令行及Python脚本操作，为组织形态发生中的力学研究提供了非侵入性分析方案。

　　

在生物组织发育与再生过程中，细胞如何感知并施加机械力是核心问题，但活体环境下的力学测量始终面临技术挑战。传统方法如磁珠植入、光镊或激光切割虽能提供力学参数，却存在设备昂贵、样本损伤或难以长期观测等局限。因此，开发非侵入性计算工具，通过显微镜图像推断组织应力成为迫切需求。

本研究团队开发了ForSys这一开源Python软件，能够基于时序显微图像推断细胞间应力（intercellular stress）和细胞内压力（intracellular pressure）。该工具通过整合细胞连接几何信息与局部运动速度，实现了静态与动态两种应力推断模式，尤其适用于细胞快速重排的发育过程。研究通过计算机模拟（in silico）验证了ForSys的准确性，并进一步在非洲爪蟾胚胎黏液纤毛上皮和斑马鱼侧线器官模型中应用，揭示了细胞分裂前应力升高、上皮罗塞特（rosette）形成与压力分布的相关性，以及平面细胞翻转（planar cell inversion）中细胞类型特异性粘附导致的力学不对称性。

关键技术方法包括：

1. 1.
   顶点模型（vertex model）与Surface Evolver模拟：通过seAPIpy生成虚拟组织作为应力推断的基准真值（ground truth）；
2. 2.
   静态与动态应力推断算法：基于机械平衡假设构建线性方程组，动态模式引入粘性项（正比于顶点速度），通过尺度参数（scale parameter, ρ）平衡弹性与粘性力贡献；
3. 3.
   多模态操作界面：支持Fiji图形界面、命令行及Python脚本；
4. 4.
   活体验证技术：结合激光消融（laser ablation）测量顶点回弹动力学，验证尺度参数（ρ=0.1）的生物学合理性；
5. 5.
   图像分割与跟踪：采用EPySeg、Cellpose等工具处理显微图像，并通过Tissue Analyzer进行细胞膜轨迹校正。

ForSys：Python开源软件实现组织应力推断

通过对比静态与动态推断模式在模拟组织中的表现，研究发现动态模式（ρ=0.1）在高顶点速度条件下显著优于静态方法，误差降低且空间应力分布更接近真实值。

静态平衡条件下ForSys的计算机验证

利用四种应力分布模式（水平/垂直沟槽、环形沟槽、随机张力）验证ForSys静态推断的准确性。与DLITE算法相比，ForSys在平均绝对百分比误差（MAPE）和饱和评分函数上表现更优，尤其在沟槽模型中误差显著降低（p<0.01）。

动态组织中ForSys应力推断优于静态方法

在组织快速重塑过程中，动态推断通过引入顶点速度信息，显著提升应力预测精度。当三细胞连接点（tricellular junction）速度增加时，动态模式的评分比静态模式高（log比值>0），且在高速度区间优势更明显。

非洲爪蟾上皮中ForSys与肌球蛋白II测量的对比

在非洲爪蟾胚胎黏液纤毛上皮中，ForSys推断的应力与肌球蛋白II（myosin II）传感器强度呈正相关（R=0.56±0.11），且应力分布与肌球蛋白强度无显著差异（p=0.76），表明其能准确反映皮层应力。

斑马鱼集体细胞行为的动态应力推断

在斑马鱼侧线原基（primordium）迁移过程中，ForSys动态模式预测到细胞分裂前膜应力升高，并发现罗塞特形成区域与细胞内压力峰值高度吻合（R=0.99）。在成熟神经丘（neuromast）中，毛细胞（hair cell）间同型接触的应力最高，支持细胞（supporting cell）间同型接触应力最低，提示细胞类型特异性粘附调控力学不对称性。

平面细胞翻转中的力学不对称性

在毛细胞对旋转（planar cell inversion）过程中，同源细胞间膜应力显著低于其与周围细胞的异型接触（p<0.0005），表明强同型粘附与弱异型粘附共同促成了细胞对的协调旋转。

活体尺度参数确定

通过激光消融实验拟合顶点回弹动力学，测得尺度参数ρ=0.17±0.13，与计算机验证推荐值（ρ=0.1）一致，证实了动态推断在活体组织中的适用性。

结论与意义

ForSys作为首个支持动态应力推断的开源工具，突破了传统方法在时序分析中的限制，为组织形态发生研究提供了非侵入性力学映射方案。其多模态接口和兼容性（支持EPySeg、Cellpose等输入）降低了使用门槛，有望促进力学在发育生物学、再生医学等领域的应用。未来工作可拓展至非平衡条件及三维几何下的应力推断，进一步揭示力学信号在生命过程中的调控作用。