流体静压与细胞力学平衡驱动上皮类器官中腔体形成与融合的普适性机制

本研究通过定量细胞生物学、微加工技术和理论模型，系统比较了MDCK囊肿、胰腺球体和外胚层模型三种系统中腔体（lumen）的动态形成过程。研究人员发现初始细胞数量决定腔体最大数量，但稳态均为单一腔体；揭示了腔体动力学受流体静压（hydrostatic pressure）调控的核心机制，并通过调控MDCK细胞的粘附性和腔体容积成功复现了胰腺球体和外胚层的融合动态。该研究为器官发生和组织工程提供了普适性自组织规律，发表于《Nature Communications》。

　　

在生命体内，许多器官都含有充满液体的腔体结构。腔体的形成（lumenogenesis）和融合是器官发育的核心过程，但不同器官系统中这些过程的调控机制是否存在普适规律仍不清楚。传统观点认为腔体动力学具有器官特异性，而物理学原理提示流体静压与细胞力学平衡可能主导这一过程——这一假说长期缺乏实验验证。

法国斯特拉斯堡大学（Université de Strasbourg）Linjie Lu、Kana Fuji等联合团队通过创新性研究设计解决了这一难题。研究人员选取三种典型模型系统：MDCK（Madin-Darby canine kidney）上皮囊肿、小鼠胰腺球体和外胚层（epiblast）类器官，采用微加工技术构建可控初始细胞数的培养腔室，结合活细胞成像、激光切割压力测量和相场模型（phase field model）模拟，首次系统揭示了腔体动态的普适规律。

研究主要采用四大关键技术：1）微加工腔室阵列实现初始细胞数精确控制（1-16个细胞）；2）3D实时成像追踪腔体形成与融合动态；3）激光切割联合Hagen-Poiseuille定律定量测量腔体流体静压；4）整合细胞增殖、粘附和腔体生长的相场数值模拟。

腔体动态的两阶段规律
通过定量分析发现，所有系统均呈现"先增后减"的双相动态：初始细胞数决定腔体峰值数量（Phase I），随后通过融合最终形成单一腔体（Phase II）。MDCK和胰腺系统中，每细胞周期新增0.2个腔体；而外胚层系统该速率低5倍，暗示形成机制差异。

腔体形成的双路径机制

MDCK和胰腺系统中，腔体通过两种途径形成：细胞分裂后（约2小时）或在细胞接触处新生（图3b-d）。而外胚层系统需约10个细胞形成玫瑰花结（rosette）结构后才能形成腔体（图3f），这种临界细胞数要求通过自由能计算得到理论验证（图6e-j）。

流体静压主导的融合机制

腔体指数（lumen index, LI）分析显示：MDCK（LI≈0.3）和胰腺系统（LI≈1）的融合伴随腔体容积增加，激光切割证实其存在显著流体静压（MDCK:65Pa；胰腺系统更高）；而外胚层（LI≈0.1）的融合则依赖细胞向心运动（图4i-k），压力测量接近0Pa（图5g）。

力学平衡的普适性验证
通过扰动实验证实核心机制：1）微注射扩大MDCK腔体可加速融合；2）EDTA处理或E-cadherin敲除降低细胞粘附性可促进融合（图7d-h）；3）ZO-1/2敲除MDCK细胞呈现与外胚层相似的力学特性；4）肌球蛋白抑制剂blebbistatin可阻断外胚层融合（图8a）。

该研究建立了腔体动态的普适理论框架：流体静压与细胞粘附的平衡决定上皮系统腔体融合，而低压力系统则依赖细胞主动运动。相场模型成功复现了三种系统的动态特征（图6），理论计算揭示了压力对临界细胞数的调控规律。这些发现不仅统一了不同器官系统的腔体形成机制，更为组织工程中腔体结构的可控构建提供了设计原则——通过调控压力、粘附力和细胞增殖时序，可精确预测并操控类器官的形态发生。研究特别指出，胰腺等需要快速融合形成单一导管（duct）的器官可能进化出高离子泵活性，而甲状腺等多腔室器官则可能通过增强粘附维持腔体分隔，这为理解器官特异性发育提供了新视角。