AbMole界面力學(xué)交互作用：驅(qū)動多層組織形態(tài)發(fā)生的新機制

AbMole|界面力學(xué)交互作用：驅(qū)動多層組織形態(tài)發(fā)生的新機制在生物學(xué)領(lǐng)域，形態(tài)發(fā)生是一個涉及多種生理和病理變化的空間和時間上受調(diào)控的過程。除了生化因素，物理因素在形態(tài)發(fā)生中的調(diào)控作用也日益受到關(guān)注。然而，形態(tài)發(fā)生的初始驅(qū)動力仍然是一個未解之謎。最近的研究通過結(jié)合生物實驗、理論分析和數(shù)值模擬，揭示了多層組織生長過程中，由層間界面力學(xué)相互作用產(chǎn)生的壓縮梯度如何自組織地啟動形態(tài)發(fā)生過程。來自北京航空航天大學(xué)工程醫(yī)學(xué)院，生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的TailinChen,YanZhao,XinbinZhao等多名研究人員發(fā)表了題為《Self-OrganizationofTissueGrowthbyInterfacialMechanicalInteractionsinMultilayeredSystems》的研究成果。在該文章中，研究人員引用了AbMole的NSC23766（目錄號M6282）、Y-27632dihydrochloride（目錄號M1817）。AbMole（奧默生物）提供高品質(zhì)抑制劑、細胞因子、人源單抗、天然產(chǎn)物、熒光染料、多肽、化合物庫。實驗結(jié)果表明，在低流動性組織中，隨著生長的進行，壓縮梯度逐漸增強，并通過觸發(fā)細胞分裂方向從對稱到非對稱的轉(zhuǎn)變來誘導(dǎo)組織分層。而在高流動性組織中，壓縮梯度是動態(tài)的，它誘導(dǎo)細胞重新排列，導(dǎo)致二維平面形態(tài)發(fā)生而不是三維變形。通過操縱組織流動性、細胞粘附力和機械性能，可以調(diào)節(jié)形態(tài)發(fā)生，影響壓縮梯度的發(fā)展，這在培養(yǎng)的細胞片和雞胚發(fā)育中都有所體現(xiàn)。圖1在臨界大小的生長單克隆細胞片中出現(xiàn)3D形態(tài)發(fā)生。研究者們觀察到，在雞羽毛毛囊形態(tài)發(fā)生過程中，表皮層的發(fā)育伴隨著從二維單層到三維多層的轉(zhuǎn)變。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)表皮和真皮層結(jié)合培養(yǎng)時，毛囊原基在第二天就會出現(xiàn)，而單獨培養(yǎng)的表皮細胞片則無法分層，也沒有原基形成，這表明表皮和真皮層之間的相互作用對表皮細胞片的形態(tài)發(fā)生過程至關(guān)重要。此外，隨著表皮從單層向多層演變，表皮細胞的形狀從扁平變?yōu)橹鶢?，與胚胎發(fā)育階段和表皮細胞層數(shù)的增加相關(guān)。為了研究層間界面力學(xué)相互作用在組織形態(tài)發(fā)生啟動中的作用，研究者們開發(fā)了一個簡單的薄膜/基質(zhì)系統(tǒng)，由一個自由生長的單克隆細胞片和細胞外基質(zhì)（ECM）組成。通過連續(xù)的活體成像，觀察到在細胞片達到一個恒定的臨界大小時（直徑約1479微米），會穩(wěn)定地觀察到從二維單層到三維多層的轉(zhuǎn)變。這一臨界尺寸對于給定的細胞類型是相對恒定的，表明這是一個自組織的機制。圖2臨界壓迫觸發(fā)細胞分裂重新定位以誘導(dǎo)組織分層。通過理論分析，研究者們提出了一個模型，解釋了細胞片在基質(zhì)上生長時，由于細胞增殖引起的細胞片擴張，會在細胞片和基質(zhì)層之間產(chǎn)生界面剪切應(yīng)力（ISS）。由于ISS的方向與相鄰層之間的相對運動相反，細胞片會受到指向中心的ISS作用，這與先前的研究結(jié)果一致。因此，細胞片中心區(qū)域的細胞會比其它區(qū)域的細胞承受更高的壓縮水平，這通過實驗得到了證實。進一步的實驗驗證了壓縮梯度的存在，通過劃痕實驗和牽引力顯微鏡（TFM）分析，發(fā)現(xiàn)細胞片中心區(qū)域的細胞在劃痕后顯示出更快的擴張和遷移速度，表明壓縮應(yīng)變的釋放。此外，通過理論分析，研究者們還預(yù)測了細胞片達到三維形態(tài)發(fā)生的臨界尺寸，這取決于細胞片和基質(zhì)的機械性能以及它們之間的相互作用。通過有限元模擬，研究者們發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓縮應(yīng)變超過臨界值時，細胞-基質(zhì)相互作用的變化會顯著影響細胞片生長過程中的壓縮梯度。最后，研究者們還探討了組織流動性對二維到三維形態(tài)轉(zhuǎn)變的控制作用。通過比較HeLa和MDCK細胞在細胞片生長過程中的行為，發(fā)現(xiàn)MDCK細胞片在生長過程中表現(xiàn)出顯著的平面形態(tài)變化，而沒有表現(xiàn)出分層。相比之下，HeLa細胞片則表現(xiàn)出更穩(wěn)定的細胞面積，并且在達到臨界大小時發(fā)生了分層。這些結(jié)果表明，組織流動性在調(diào)節(jié)由層間界面力學(xué)相互作用驅(qū)動的形態(tài)發(fā)生中起著關(guān)鍵作用，高水平的組織流動性可能通過細胞在平面內(nèi)的運動會阻止壓縮應(yīng)變能量的積累。圖3HeLa和MDCK細胞片在生長過