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Nature:揭示在胚胎发生期间组织和器官如何构建出来

来源:本站原创 2018-09-30 22:37

2018年9月30日/生物谷BIOON/---有没有想过当你仅是一个胚胎时,一群细胞如何能够构建出你的组织和器官?在一项新的研究中,美国加州大学圣巴巴拉分校研究员Otger Campàs及其团队利用他们开发出的前沿技术破解了这个长期存在的秘密,并揭示出胚胎是如何形成的令人吃惊的内部工作细节。相关研究结果近期发表在Nature期刊上,论文标题为“A fluid-to-solid jamming transition underlies vertebrate body axis elongation”。
图片来自Nature, doi:10.1038/s41586-018-0479-2。

这项研究及其开发出的技术不仅将一个存在着一百年的假设带到现代,而且还为这些研究人员提供了研究关于人类健康的其他关键问题的基础,比如癌症如何形成和扩散,或如何构建器官。

Campàs说,“简而言之,我们发现了一种基本的物理机制,细胞利用这种机制将胚胎组织塑造成功能性的三维形状。”他的团队研究了生命系统如何自我组装而形成在自然界中发现的引人关注的结构和形状。

细胞之间通过交换生化信号进行协调,但是它们彼此间也相互作用和相互推动,从而构建出我们生存下来所需的身体结构,比如眼睛,肺部和心脏。而且事实证实,对胚胎进行雕塑非常类似于玻璃成型或三维打印。在这项新的研究中,Campins揭示出细胞群体以可控的方式从流体状态转变为固体状态,从而构建出脊椎动物胚胎,这在某种程度上类似于我们如何将玻璃模塑成花瓶或三维打印出我们最喜欢的物品。或者,如果愿意的话,我们从内部三维打印出我们自己。

大多数物体都是以流体开始。从金属结构到明胶甜点,它们的形状是通过将熔化的原始材料倒入模具中,然后冷却它们,从而获得我们使用的固体物体而构建出来的。正如奇胡利玻璃雕塑(Chihuly glass sculpture)是通过仔细熔化玻璃部分而让其慢慢地重塑而制成,胚胎的某些区域中的细胞更加活跃并且将这种组织“融化”成能够加以重构的流体状态。Campàs解释到,一旦完成,细胞就会“冷却”,从而确定组织形状。

Campàs说,“我们观察到的从流体组织状态到固体组织状态的转换在物理学中被称为'堵塞(jamming)'。堵塞转换是一种非常普遍的现象。当无序系统中的颗粒(比如泡沫、乳液或玻璃)被迫在一起或冷却时,这种现象就会发生。”

这一发现是通过Campàs及其团队之前开发的技术实现的,这些技术用于测量胚胎内细胞之间的力,并且当这些细胞构建组织和器官时对它们施加微小的力。通过使用具有光学透明性的发育方式类似于人类的斑马鱼胚胎,这些研究人员在生长组织的细胞之间放置了专门设计的铁磁流体的微小液滴。这些球形液滴会在它们周围的细胞的推拉之下而变形,这使得这些研究人员能够观察到这些细胞彼此之间相互作用的力。通过让这些液滴具有磁性,他们还能够对周围的细胞施加微小的压力,以便观察这种胚胎组织如何作出反应。

论文第一作者、加州大学圣巴巴拉分校博士后研究员Alessandro Mongera说,“由于将微型探针插入到微小的发育中的胚胎内面临着挑战,我们能够测量之前无法测量的物理量。”

Campàs说,“像其他脊椎动物一样,斑马鱼从一群很大程度上是无形的细胞开始,需要将身体转变成细长的形状,头部位于一端,尾部位于另一端。”导致这个过程的细胞物理重组装一直是个谜。令人吃惊的是,这些研究人员发现构建出这种组织的细胞群体在物理上像泡沫一样,在发育过程中发生堵塞,从而“冻结”这种组织结构并设定它的形状。

这些观察结果证实了维多利亚时期的苏格兰数学家D'Arcy Thompson在100年前的开创性著作《关于生长和形成(On Growth and Form)》中提出了的一种非凡的直觉。

Campàs说,“他确信给一些惰性材料赋予形状的物理机制也能够在塑造生物体中发挥着作用。值得注意的是,他将细胞群体与泡沫相比较,甚至将细胞和组织的塑造与玻璃吹制(glassblowing)相比较。”Campàs补充道,一个世纪以前,没有任何工具能够直接测试Thompson提出的想法。

这项研究还提供了一个起点,这样Campàs团队能够开始解决胚胎发育和相关领域的其他过程,比如肿瘤如何在物理上侵入周围组织以及如何设计具有特定三维形状的器官。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Alessandro Mongera, Payam Rowghanian, Hannah J. Gustafson et al. A fluid-to-solid jamming transition underlies vertebrate body axis elongation. Nature, 561:401–405(2018), doi:10.1038/s41586-018-0479-2.

Pierre-François Lenne & Vikas Trivedi. Tissue ‘melting’ sculpts embryo. Nature, 05 SEPTEMBER 2018, doi:10.1038/d41586-018-06108-7.

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