整数拓扑缺陷揭示活性细胞单层非线性力学特征——神经祖细胞单层集体运动新机制

编辑推荐：传统线性活性向列理论无法解释细胞向+1缺陷核心迁移现象。日本东京大学Masaki Sano团队通过微图案诱导神经祖细胞(NPCs)单层形成星型/螺旋型/靶型+1缺陷，结合细胞模型推导的连续介质理论，首次发现γ1和γ2非线性主动力主导细胞向心流动，突破传统伸展/收缩二分法分类体系，为活性物质研究提供新范式。

　　

在生命系统中，细胞集体的有序运动如同精密的交响乐，而拓扑缺陷则是乐章中突然出现的变调音符。传统理论将细胞单层视为活性向列材料(active nematics)，认为±1/2缺陷处细胞行为遵循线性主动力规律——伸展性(extensile)系统中细胞会向+1/2缺陷聚集而从-1/2缺陷逃逸。然而这个理论框架在解释整数拓扑缺陷时遭遇了严重挑战：为何在星型(aster)、螺旋(spiral)和靶型(target)等+1缺陷中，神经祖细胞(NPCs)都表现出向核心迁移的反常现象？这个矛盾直指活性物质力学的认知盲区，也关乎组织发育、伤口愈合等生理过程中细胞集体行为的调控机制。

日本东京大学Masaki Sano团队在《Nature Communications》发表的研究中，通过精巧的微图案设计和多尺度分析，揭开了这个谜题。研究人员在PDMS基底上制备了13种不同倾斜角θ₀的微米级脊状图案（高度1.2μm，间距30-120μm），成功诱导NPCs单层形成稳定的+1缺陷结构。借助长期活细胞成像（每6分钟采集双通道图像）、结构张量法分析取向场、核荧光示踪细胞运动等技术，发现所有类型+1缺陷核心均出现细胞持续积累（35小时内核心区细胞占比Φ_ρ提升50%），并伴随显著的向心流（平均径向速度0.0067μm/s）。这些现象与经典线性理论预测的"螺旋/靶型缺陷应产生外向流"完全相悖。

研究的关键突破在于建立了一个包含非线性主动力的连续介质理论。从细胞级模型出发，通过Boltzmann-Ginzburg-Landau方法推导发现：除传统线性项-ζ?·(ρQ)外，还存在γ₁(ρQ·?)·ρQ（>0）和γ₂ρQ·(?·ρQ)（<0）两个非线性主动力项。贝叶斯拟合实验数据得到γ'₁=0.0564±0.0144μm²/s和γ'₂=-0.0257±0.0153μm²/s，这两个项在|θ₀|>π/4时产生主导性向心力，完美解释了所有缺陷类型的向心流动。该理论还预测了活性向列材料的新分类体系——当(γ₁-γ₂)ρS>|ζ|时，系统进入非线性主导区（本研究的NPCs即属此区）。

具体研究结果可分为三个层面：

1. 细胞积累动力学：通过荧光核标记定量显示，所有θ₀值（0至±π/2）的缺陷在25小时内均出现r<80μm核心区密度梯度增加（靶型最显著），核/质比分析证实这是真实迁移而非增殖所致。三维共聚焦显示当基底面密度饱和后，细胞会形成立体堆积。

2. 取向与运动特征：结构张量法测得细胞取向场θ与预设图案θ_p仅偏差Δθ=-4.1±1.1°，证实微图案有效诱导缺陷。速度场分析显示净流动与局部Q主轴存在明显夹角（螺旋型达30°），光学流与粒子追踪数据一致显示顺时针手性特征。

3. 力-速度关系验证：将速度场分解为平行/垂直Q主轴分量后，发现ρQ·(?·ρQ)项与速度呈显著负相关（R=-0.82），而(ρQ·?)·ρQ项呈正相关（R=0.79），为非线性项提供直接实验证据。

这项研究颠覆了传统认知：首先，整数缺陷可作为"力学探针"揭示被忽视的非线性效应；其次，细胞单层不能简单用伸展/收缩二分法分类，需引入γ₁/γ₂参数空间的新标准；最后，微图案控制为研究体内胶原纤维引导的细胞组织（如视乳头巩膜径向排列）提供了新范式。该成果不仅解决了活性向列理论长期存在的矛盾，更为组织工程、肿瘤浸润等过程的空间调控提供了新思路——通过设计特定拓扑缺陷阵列，可能实现细胞运输和分化的精确操控。