《Micromachines》：Topology Reconfiguration for NoCs: A Fast Reconfiguration Algorithm Based on Monotonic Path Shifting
Mingzhi Zhang,
Zhijia Wang,
Zhenxing Wang,
Dali Xu and
Na Niu
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这篇综述介绍了一种基于分支选择微平台与概率分析框架的创新方法，用于定量测量迁移单细胞队列中的细胞间耦合。该方法无需分子标记或力学测量，即可直接估计细胞间相互作用的强度与空间范围，为研究集体细胞迁移（Collective Cell Migration）在形态发生、伤口愈合、血管生成（Angiogenesis）和癌症侵袭等过程中的作用提供了可扩展的定量工具。
引言
集体细胞迁移是胚胎形态发生、伤口愈合、血管生成和癌症侵袭等基本生物过程的基础。在此过程中，细胞通常以协调的群体形式迁移，其中跟随细胞的运动受到近距离机械和生化耦合的影响。定量表征这种“领导者-跟随者”耦合的强度与空间范围，对于理解定向信息如何在迁移群体中传播至关重要。研究表明，领导者的出现和维持受到群体内局部机械相互作用的调节，且其影响可能高度局部化，主要影响紧邻的跟随细胞。同时，细胞集体迁移行为不仅受到生化信号（如血管生成中的VEGF）的调控，也受周围微环境几何形状和空间限制的塑造。微流控限制研究表明，狭窄的通道可促进细胞排列和协调运动，为在受控空间约束下量化局部相互作用规则提供了可能。
材料与方法
本研究使用小鼠来源的内皮样细胞系MS-1和大来源的上皮样细胞系MDCK细胞。利用波长为1064纳米和1480纳米的激光光热微加工系统，在琼脂糖凝胶上制造微结构。通过旋涂法制备琼脂糖凝胶层，并使用激光诱导的局部加热进行受控熔化，以形成微通道。细胞在培养皿的琼脂糖微结构中培养，当储存室细胞接近汇合时，通过光热微加工在相邻琼脂糖层中添加微通道，这些单细胞宽的线性微通道末端为对称的T形分支连接点。通过延时成像系统记录细胞在拓扑约束内的动态变化。
分支选择实验使用对称的T形分叉图案进行，以最小化几何偏差。从延时明场图像中提取迁移方向序列，定义细胞集群大小（连续选择相同分支方向的细胞数量），并与独立伯努利试验的零模型进行比较。通过比较观测到的平均游程长度与零模型预测值，从相互作用增强的概率框架中估计有效的相互作用强度。尽管T型连接被设计为对称，但为评估潜在的基线偏差，分析了多个独立制备的对称T型连接中前导细胞的左右选择频率，确认了基线几何偏差可忽略，因此主要分析中使用p=0.5作为基线概率。
结果与讨论
本研究构建了一个基于分支选择的定量测量平台。细胞在单细胞宽度的微通道中迁移，遇到对称的T型分叉时，前导细胞选择一个分支，每个后续的跟随细胞选择与前一个细胞相同的分支（同分支）或相反的分支（异分支）。这便将连续的细胞间影响转化为一系列二进制的分支选择序列。
作为零模型，假设分支选择是独立的伯努利试验，在理想对称连接处，选择任一分支的概率p=0.5。在此独立假设下，游程长度分布服从几何分布。与该模型的偏离则表明存在有效的相互作用：吸引力会增加长游程（大集群）的频率，而排斥力则会增加单细胞游程的比例。
为将分支选择统计与相互作用参数联系起来，将对称T型连接处的连续选择建模为一阶马尔可夫过程。定义转移概率矩阵Pjk= Pr(Xi+1= k | Xi= j)。通过引入一个有效相互作用参数α，将选择相同分支的条件概率参数化为Pjj= p + α，其中-p ≤ α ≤ 1 - p。α > 0表示吸引力，α < 0表示排斥力，α = 0对应于独立情况。在此模型下，游程长度n（即连续选择相同方向的细胞数量）的分布服从几何形式：P(n) = (Pjj)n-1(1 - Pjj)。这意味着相互作用强度α被编码在游程长度统计中，而非对称连接处的总体左右占有率。
蒙特卡洛模拟验证了理论预测。对上皮MDCK细胞和内皮MS-1细胞的实验揭示了截然不同的相互作用特征。MS-1细胞表现出显著的排斥耦合，而MDCK细胞在领导者-首跟随者界面处最多表现出微弱的吸引趋势，而后部集群则显示出排斥特征。对集群顺序的进一步分析表明，相互作用效应在空间上局限于前端附近，并不会作为持续的吸引力沿队列传播。
结论
本研究提出的分支选择平台结合概率分析框架，为定量测量集体细胞迁移中的相互作用强度和相互作用定位提供了一个可扩展、通用化的方法。该方法不依赖于力测量或分子标记，可直接从游程长度统计中估计有效相互作用参数。实验证明，该方法能够区分不同细胞类型（如内皮细胞与上皮细胞）特有的、位置依赖的相互作用特征，有助于在细胞类型和微环境条件之间进行相互作用的定量比较，为深入理解集体细胞迁移的调控机制提供了新的工具。
