细胞迁移受到细胞内信号通路和细胞外基质的严格调控,在组织正常发育和癌症转移等许多生理和病理过程中起着十分关键的作用。例如最近报道的Arpin蛋白可以抑制Arp2/3复合物并对抗维持片状伪足凸出的正反馈回路,导致迁移持续性降低;坚硬的基质可以促进胚胎干细胞成骨分化,表明微环境的机械信号将极大影响胚胎干细胞的早期和晚期分化。虽然研究者们已经执行了大量与细胞迁移动力学相关的实验和模拟,但是对识别细胞迁移模式和分析微环境在机械信号传导中的调节机制很重要的迁移加速度,尚未得到系统地研究。因此我们首先在定性和定量分析细胞迁移轨迹和速度自协方差函数的基础上,量化了持续随机行走和各向异性的持续随机行走模型之间的差异。其次,我们基于细胞运动参数定义了正负各向异性的概念,并研究了各向异性对迁移加速度的影响,特别是非线性行为和反常行为。结合迁移细胞的受力情况,我们特别讨论了在正各向异性情况下反常行为出现的机制和物理见解。最后,我们分析了体外细胞迁移实验数据,并验证了加速度非线性行为、反常行为的普遍性以及与数值模拟的一致性。我们认为微环境的各向异性特点是非线性行为和反常行为出现的原因,各向异性的持续随机行走模型可以作为分析具有不同运动参数的体外细胞迁移的合适工具。关于细胞非线性行为的分析也为复杂微环境中细胞迁移动力学提供了新的见解,这对组织工程和癌症研究也有重要的影响。异质性的微环境可以对细胞迁移动力学产生实时的影响,但是目前仍然缺乏定量的分析工具去表征这种时变的影响,因此我们基于时变的持续随机行走模型开发了一种基于小波分析的方法,并从细胞迁移轨迹中导出时变的运动参数。首先我们利用小波去噪和小波变换计算迁移速度的小波功率谱,并通过拟合洛伦兹功率谱导出时变的运动参数。数值模拟结果和系统性的参数研究表明该方法在估计时变运动参数方面具有较高的优越性,并对各种随机噪声具有较强的鲁棒性。然后我们通过分析不同微环境中体外细胞迁移实验证实了该方法的实用性和普适性,包括MDA-MB-231乳腺癌细胞在微通道阵列中的迁移和与细胞外基质-介导的机械耦合相关的MCF-10A乳腺细胞迁移。分析结果表明该方法可以作为一个强大的工具以精确导出时变的运动参数,并可以进一步分析由复杂微环境调节的细胞迁移的时变特征。此外细胞迁移通常被建模为持续随机行走,它主要依赖于两个关键的运动参数,即持续时间和迁移速度,然而基于嘈杂的实验数据高效、准确地量化迁移动态特性非常具有挑战性。因此我们基于细胞迁移速度的傅立叶功率谱引入了归一化的香农熵,以量化细胞迁移动力学。由于香农熵反映了细胞迁移的有序或随机程度,即纯扩散迁移对应最大值1、纯弹道动力学对应最小值0,所以该香农熵具有与热力学系统中吉布斯熵相似的物理意义。我们进一步基于细胞速度的小波功率谱计算了时变的香农熵,并证明其在表征细胞迁移的时变持续性方面具有卓越的效用。最后我们基于该方法分析了由细胞内、细胞外机制调节的体外细胞实验数据,并展现出丰富的动态特性。分析结果表明基于香农熵的方法提供了一个简单、有效的分析框架来量化复杂微环境中细胞迁移的时变动力学。