关于组织在胚胎中如何流动的新观点学术资讯

来源：生物通

长期以来，研究人员一直在想，在发育中的胚胎中，简单的细胞簇是如何转化为组织和器官的——组织是如何在胚胎内物理改变形状的？它们是否可以在发育的特定时期从“固体”转变为“液体”，从而更容易快速塑造功能组织和器官？

胚胎发育，组织在短短几分钟急剧流动和重组。这种重组包括覆盖器官和血管外表面和内层的上皮组织。随着胚胎的发育，这些组织通常沿着一个轴变窄，并通过由外部或内部力沿组织的不同方向（各向异性）作用引起的细胞运动沿着垂直轴延伸。长期以来，研究人员一直在想，在发育中的胚胎中，简单的细胞簇是如何转化为组织和器官的——组织是如何在胚胎内物理改变形状的？它们是否可以在发育的特定时期从“固体”转变为“液体”，从而更容易快速塑造功能组织和器官？

目前还不可能观察和测量人类胚胎内组织发生了什么事情，哪怕在像老鼠这样的哺乳动物模型中仍然很难做到这一点。由于人类和果蝇有许多生物学上的相似之处，哥伦比亚工程大学和雪城大学的研究人员决定通过关注果蝇来解决这个问题。

在5月29日发表在PNAS上的一篇论文中，研究小组报告说，他们可以通过观察组织中的细胞形状来预测组织何时开始快速流动。

研究负责人、机械工程助理教授Karen Kasza说：“基于雪城大学同事早先的理论研究，我们认为只要观察组织中细胞的形状，就可以了解到胚胎组织是固体还是液体。”

挑战在于如何应用传统的工程方法来测量果蝇微小胚胎内细胞和组织的力学性质，以观察哪些组织表现得像固体，保持其形状和抵抗流动，哪些组织表现得像液体，容易流动和改变形状。研究人员使用高分辨率共焦荧光成像技术拍摄胚胎发育的影片，在影片中他们可以非常详细地看到苍蝇胚胎内组织中细胞的形状和堆积。他们关注的是一个非常快速的发育过程，在这个过程中，胚胎组织迅速改变形状，拉长果蝇从头到尾的身体轴（这在大多数动物胚胎中也会发生）。

通过将哥伦比亚的果蝇胚胎实验研究与雪城的理论建模方法相结合，研究人员证明，组织内细胞的形状和排列有助于解释和预测组织在发育过程中如何改变形状，以及这些过程中的缺陷如何导致胚胎形状。”这是实验和理论之间的奇妙合作，”作者Karen Kasza说。

这项研究的合著者Lisa Manning补充道：“从理论上讲，还不清楚是什么集体机制使细胞在组织伸长过程中容易重新排列。Kasza教授的团队拥有世界上最好的工具来研究果蝇组织的机械特性，我们能够准确地确定细胞形状的变化是如何推动组织力学的变化的。令人惊奇的是，我们现在只需查看果蝇细胞形状的快照（不需要其他理论模型参数），就可以预测细胞将如何移动。”

但是，与之前的研究和预测不同，他们引入了一个新的参数——各向异性（anisotropy）——来描述组织内细胞的排列，因为作用在组织上和组织内的力是高度各向异性的，或者在组织内沿不同方向变化的。他们发现特别有趣的是，他们的发现表明胚胎组织在体轴伸长过程中，在快速组织流动开始之前似乎变得更为流动。

“这真的很令人兴奋，”Kasza说，“因为这表明细胞的机械特性可能在胚胎发育过程中受到生物调控，使组织在发育过程中的短暂时间窗内更容易发生显著的形状变化。这增加了越来越多的研究表明，力学对于理解生命是非常重要的。”

研究小组现在正在研究组织流动性变化的指令是如何被基因编码的。他们也在探索组织的力学特性，以建立组织形态发生的定量模型，使他们能够预测、设计、构建和控制组织形态和组织运动。

参考文献

Anisotropy links cell shapes to tissue flow during convergent extension

来源：gh_c1fce5726992 生物通

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