如何控制胚胎组织的物理状态？

在生命的最初阶段，动物会经历一些最壮观的生理变化。它们曾经只是一团分裂的细胞，开始重新排列成更具特征的形态，无论是鱼、鸟还是人。理解细胞如何共同作用来构建组织一直是物理学和生物学中的一个基本问题。

　　

在生命的最初阶段，动物经历了一些最壮观的物理转变。一旦仅仅是分裂细胞的斑点，它们就会开始将自己重新排列成更具特色的形式，无论是鱼类，鸟类还是人类。了解细胞如何共同构建组织一直是物理学和生物学中的一个基本问题。

现在，加州大学圣巴巴拉分校的Otger Campàs教授，以及Campàs实验室的博士后研究员Sangwoo Kim，以惊人的发现解决了这个问题。

“当你有许多细胞在物理上相互作用时，系统如何集体行动？合奏的物理状态是什么？”Campàs说。

胚胎细胞组织是一种“奇怪的物质”，每个细胞都消耗化学能，并用它来向邻居施加力并协调它们的行为。合成培养皿中的细胞体外研究仅提供了部分图片；通过研究原生环境中的细胞，活胚胎，研究人员可以找出细胞如何控制其集体状态以及相变推拉。

Campàs团队在Nature Physics上发表的一篇论文中，Kim及其同事报告了一种计算框架的发展，该框架捕获细胞之间的各种相互作用并将它们与胚胎组织动力学联系起来。与以前的模拟不同，该框架考虑了与细胞相互作用相关的几个关键特征，例如细胞之间的空间，细胞形状和细胞相遇处的张力波动。

该研究的主要作者Kim说：“为了充分了解胚胎组织的物理行为，在模型中应考虑到细胞尺度上胚胎组织的所有关键方面，因为新兴的组织特性源自细胞尺度上的相互作用。有许多模型可以研究胚胎组织，但是没有包括这些关键特征的一般框架，阻碍了对胚胎组织物理行为的整体理解。”

“就泡沫而言，它的结构和动力学是由表面张力决定的，”Kim说。“在胚胎组织中，细胞相互接触的部位，细胞膜的内表面和细胞之间都存在类似的力。作用于细胞间连接的有效力受皮层张力和细胞间粘附力的控制，因此，细胞间接触的净力可以建模然而，与典型泡沫中细胞间更为静态的作用力不同，胚胎组织中细胞间的作用力是动态的。

“组织中的细胞不会产生静态作用力，而是随着时间的推移表现出动态的推拉，我们发现，实际上正是这些张力波动有效地将组织‘融化’成流体状态。正是这种组织的流动性使细胞能够重组和塑造组织。”

研究人员通过测量斑马鱼胚胎（一种广受欢迎的模型）的力随时间的变化来测试他们的模型研究脊椎动物发育的有机体。依靠Campàs实验室开发的一项技术，他们将微小的磁性液滴插入斑马鱼胚胎细胞之间，通过液滴变形的方式，他们能够确认，组织流体状态背后的动力。他们发现张力波动是组织在发育过程中流动性的原因，这与普遍接受的观点相反，即细胞间粘附的变化是控制组织流动性的关键因素（也就是说传统观点认为如果细胞间粘附达到一定程度高阈值，组织将变成流体）。

Campàs说：“但是由于胚胎中的细胞力和张力波动，这可能是它们在组织流化中起重要作用的原因。因此，当我们进行模拟并进行实验时，我们意识到实际上抖动对于流化比粘附更重要。”组织的流体状态是力的动态结果，而不是静态细胞张力的变化或附着力。

这项研究的结果可能在物理学领域产生影响，特别是在活性物质领域-每个消耗能量并施加共同表现出突发集体行为的机械力的许多单个单位的系统。该研究还可以为生物学研究提供信息，研究个体细胞参数的变化如何控制组织的整体状态，如胚胎发育或肿瘤。

Journal Reference:

1. Sangwoo Kim, Marie Pochitaloff, Georgina A. Stooke-Vaughan, Otger Campàs. Embryonic tissues as active foams. Nature Physics, 2021; DOI: 10.1038/s41567-021-01215-1

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University of California - Santa Barbara. "How cells control the physical state of embryonic tissues." ScienceDaily. ScienceDaily, 12 April 2021. <www.sciencedaily.com/releases/2021/04/210412121214.htm>.

University of California - Santa Barbara. (2021, April 12). How cells control the physical state of embryonic tissues. ScienceDaily. Retrieved April 12, 2021 from www.sciencedaily.com/releases/2021/04/210412121214.htm

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