细胞增殖与迁移的理论和模拟研究

The cell is the basic structural and functional unit of all knowm living organisms. The interplay of cell proliferation (including division, differentiation/de-differentiation, apoptosis) and migration plays an important role in pattern formation of bacterial colonies,multicellar organ formation and tissue stratification, wound healing and tumorigenesis. In order to investigate the general mechanism of cell proliferation and migration this proposed research will construct a model for cell proliferation with division, differentiation into different cell types, allowing backward de-differentiation, apoptosis and cell migration. The cell population densities can be described by reaction-diffusion type coupled partial differential equations. Through nonlinear analysis we will study the effect of cell activities and their mutual interplay on the system dynamics. In addition, in cellular Potts model through considering cell adhesion we will study the pattern evolution with cell proliferation and migration. This research will conbine continuous model and discrete model to do researches in bacterial pattern formation,wound healing and tumorigenesis. Results of this research will help to reveal the interplay between cell proliferation and migration, improve the scientific understanding of life and promote to develop biotechnologies.

细胞是生物体的基本结构和功能单位，细胞的增殖（包括分裂、分化/去分化、凋亡）和迁移活动之间相互依赖、相互制约，在斑图形成、胚胎发育、表皮伤口愈合以及癌变等众多生命活动中扮演重要的角色。为了对细胞的增殖和迁移进行系统地研究，本项目拟建立一个包括细胞迁移、分裂、分化/去分化和凋亡的模型，采用反应- - 扩散型偏微分方程对细胞数量的演化进行非线性动力学分析，研究细胞活动能力以及各个活动之间的耦合关系对系统动力学过程的影响；并在细胞Potts模型中，考虑细胞之间的黏附作用，研究细胞迁移和增殖的斑图演化过程。将连续模型和离散模型相结合来深入研究细菌斑图形成的动力学过程、皮肤修复和癌变过程。本项目研究将揭示细胞增殖与迁移之间的相互作用关系，有助于理解生命现象，推动生物技术的发展。

细胞是生物体的基本结构和功能单位, 细胞的生命活动包括细胞的增殖（包含分裂、分化/去分化、凋亡）和迁移。生物组织由不同的细胞谱系组成，一个细胞谱系中通常包含祖细胞，多种分化细胞以及末端分化细胞。我们建立了一个包括细胞增殖与迁移活动的细胞谱系模型，采用反应—扩散型偏微分方程对细胞谱系的演化进行了非线性动力学分析。考虑细胞分泌出化学分子，这些分子将参与细胞增殖的控制过程，在模型中我们考虑了分泌分子的负反馈调控作用，并在反应扩散方程组中增加了化学分子的分泌与扩散，通过Hill方程来描述化学分子的调控过程。发现在两代细胞组成的简单细胞谱系中，整个谱系的生长速度由生长速度最快的细胞决定，不管是母细胞还是子细胞。在没有反分化的情况下，负反馈调控母细胞会抑制母细胞的数量及传播速度，甚至使母细胞灭绝，但是负调控子细胞时，各细胞的数量和波速改变很小，并最终趋于恒定值。而当细胞发生反分化时，细胞的生长率和传播速度都得到大幅提升，与调控细胞种类毫无关系，说明反分化压制了细胞之间的调控，我们的结果将有助于理解细胞通信与变异的动力学机制。. 我们将细胞谱系的反应扩散模型应用到两个相互作用物种的Lotka-Volterra系统，发现物种占据空间的速度由其自身的繁殖速度和扩散速度共同决定，物种之间和物种内部的竞争能力决定了系统的相图。在两物种竞争的系统中，当一个物种占据主导地位时，如狼和羊，当狼的数量占据主导地位，羊并不是没有机会生存，只要羊的繁殖速度或扩散速度足够大，就可以在新的空间占据一席之地，进而生存下去；当两个物种之间的竞争不太强时，两者可以共存；而当两个物种之间竞争都很强时，我们发现并不像传统模型中谁的初始数量占据优势，谁就能幸存，而是物种占据空间的速度决定孰生孰死。而对于两个互惠物种来说，每一个物种的存在都有利于对方的生存，就像一些寄生状态。我们发现物种的扩散不会影响系统的全局稳定性，但它带来了两种情形：双赢或一个物种主导。当在双赢的情形下，两种物种的生长和扩散速度都达到了最大；而当某一物种主导的时候，另一个物种势必被压制，它的传播速度变得很小，也会对处于主导地位的物种产生影响。