传统的生物学研究更多的是专注在细胞对分子信号的感应,因而大多数实验是在二维培养环境中完成的。但是真实的细胞外微环境更加纷繁复杂,细胞不仅是以群体形式存在,周围还包含多种化学成分构成的细胞外基质、其它异质性细胞等等。细胞通过粘附蛋白与胞外基质连接,周围硬度变化产生的力学信号响应会影响细胞迁移模式、形态、分化等等。直接接触的细胞群体中,细胞间粘附力与细胞骨架收缩的博弈决定了肿瘤群体性侵袭、器官形成中细胞重排及变形、伤口愈合等众多过程。对于远距离的细胞来说,细胞与基质的相互作用产生力场,这一力学信号经过胞外基质传导能够实现细胞间远程通讯。因此在本文中,我们在三维环境中研究了细胞与细胞群体的物理学行为:首先,利用乳腺癌细胞系,分析单细胞在二维和准三维环境中形态、运动的差别,发现细胞会对周围基质的力学性质变化产生响应。然后,在胶原蛋白上培养乳腺囊肿细胞,证明细胞间能够通过是来自于运动过程中形成的胶原蛋白纤维束传导的力学信号实现远程通信。接下来,利用乳腺囊肿细胞和上皮细胞,并调节细胞间粘附力和表面张力,证实了在单层细胞中细胞形状因子与运动速度存在正相关,但是改变群体内细胞间相互作用会使细胞产生整体运动性改变。之后,增加细胞种类,发现共培养体系中细胞集群的定向形变和运动会在垂直平面产生力场,这一力学信号经胞外基质传导,会引发细胞在平面内的聚集。这是借由胞外基质传递力学信号诱导的多细胞运动第一次被如此直接地观察到。最终,我们尝试将共培养体系从硬底表面移动到基质胶表面,在“超软”基底上,哪怕细胞与基底存在较强粘附作用,也能够通过拖拽基质变形实现快速聚集。综上,本文研究了从单细胞到细胞群再到异质性细胞群中,细胞之间、细胞与胞外基质之间相互作用对细胞运动学和形态学的调控。