Nature提出新起点：最先进的技术揭秘百年胚胎发育神秘面纱

　　

生物通报道：千百年来，科学家们一直都希望能了解胚胎中，各种细胞如何构建成人体的组织和器官的？

来自加州大学圣巴巴拉分校的研究人员利用他们开发的最先进技术，揭开了这个长期存在的神秘面纱，解答了胚胎如何构建人体内部器官的谜题。这项研究及其技术不仅为现代生物学带来了一个百年假说，而且也提供了研究人类健康关键问题的基础，例如癌症如何形成和传播，或如何设计器官等。

这一研究成果公布在9月5日的Nature杂志上，由Otger Campàs领导完成。Campàs研究组致力于研究生命系统如何自我组织，建立自然界中存在的结构和形状。

“简而言之，我们发现了细胞如何构建胚胎组织，形成功能性3D形状的基本机制，”Campàs说。

特殊的3D“建模”

细胞通过交换生化信号进行调控，它们相互依靠，相互推动，建立我们生存所需的身体结构，例如眼睛，肺和心脏。事实证明，胚胎形成和玻璃成型或3D打印并没有差别。

在这篇题为“A fluid-to-solid jamming transition underlies vertebrate body axis elongation”的文章中，研究人员揭示了细胞集群如何从流体状态转变为固体状态，构建脊椎动物胚胎，这在某种程度上类似于我们如何将玻璃模塑成花瓶，或者3D打印我们最喜欢的物品。

大多数物体（从金属结构到明胶，甜点）都是以流体开始的，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，制成我们使用的固体物体。如玻璃艺术大师Dale Chihuly的玻璃雕塑，就是通过仔细熔化玻璃部分，使其慢慢重塑一个固体物件。

胚胎某些区域中的细胞比较活跃，能将组织“融化”成可以重构的流体状态，Campàs解释说，一旦完成，细胞就会“冷却”成组织形状。

“从流体到固体组织的过渡中，我们观察到一种物理学中称为‘干扰（jamming）’的现象，”Campàs说，“干扰转换是一种非常普遍的现象：无序系统中的颗粒（例如泡沫，乳液或玻璃）被迫聚合在一起或冷却时发生。”

这一发现是通过Campàs团队之前开发的技术实现的，这种技术可以用于测量胚胎内细胞之间的力，以及细胞构建组织和器官时对细胞施加微小的力。Nature Methods：测量细胞力的最新方法

研究人员利用斑马鱼胚胎——其光学透明度高，且发育过程与人类相似，研究人员在生长组织的细胞之间放置了特殊工程铁磁流体构成的微小液滴。球形液滴随着周围细胞的推拉而变形，使研究人员能够看到细胞相互作用的力。并且，研究人员可以令这些液滴具有磁性，对周围的细胞施加微小的应力，观察组织的反应。

“由于在小型胚胎中插入微型探针，我们能够测量以前无法测量的物理量，”论文的第一作者，博士后研究员Alessandro Mongera说。

“斑马鱼和其它脊椎动物一样，从很大程度上都是从无形的细胞簇开始，将身体转变成细长的形状，头部位于一端，尾部位于另一端，”Campàs说。这个过程背后细胞物理重组一直是个谜。令人惊讶的是，研究人员发现制造组织的细胞集群在物理上像泡沫一样（如在啤酒泡沫中），在发育过程中通过干扰，“冻结”组织结构，构建其形状。

100年前的假说

这些观察结果证实了维多利亚时期苏格兰数学家D'Arcy Thompson 100年前在其开创性著作《On Growth and Form》中提出的假设。

Campàs说，“他认为一些赋予惰性材料形状的物理机制也能起到塑造生物体的作用。令人惊讶的是，他将细胞群与泡沫相比较，甚至将细胞和组织的形状与玻璃吹制相类比”。 一个世纪以前，没有任何工具可以直接测试Thompson提出的想法，但他工作至今仍被引用。

这篇新的Nature长文也提出了一个新的起点，研究人员可以开始探讨胚胎发育和相关领域的其他过程，例如肿瘤如何物理侵入周围组织，以及如何设计具有特定3D形状的器官。

“癌症的一个标志是两种不同组织结构之间的过渡。这种过渡原则上可以解释为从固体状态到类似流体组织状态的异常转换，”Mongera解释说，“目前的研究可以帮助阐明这种转变背后的机制，并研发一些潜在的药物靶标，阻止肿瘤。”

原文标题：

A fluid-to-solid jamming transition underlies vertebrate body axis elongation