综述：脊椎动物原肠胚形成的机械化学建模进展

这篇综述深入探讨了脊椎动物原肠胚形成（gastrulation）过程中机械力与生化信号的协同作用，提出整合实验与建模（如连续介质模型和细胞顶点模型）是解析胚胎尺度组织流动（如Polonaise运动）和细胞行为（如收敛延伸、EMT）调控机制的关键。作者强调肌球蛋白（myosin II）张力反馈、活性应力场自组织及机械化学耦合（mechanochemical coupling）在原始条纹（primitive streak）形成中的核心作用，为发育生物学研究提供了新范式。

　　

脊椎动物原肠胚形成

原肠胚形成是高等动物早期胚胎发育的核心事件，通过协调数千细胞的迁移、分化和形态变化，建立外胚层、中胚层和内胚层三层结构。传统研究聚焦遗传调控，但近年发现机械力（如肌球蛋白收缩产生的活性应力）与生化信号（如BMP/TGFβ）的反馈整合对胚胎尺度运动的稳健性至关重要。禽类（如鸡、鹌鹑）胚胎因其平面结构和易操作性成为研究脊椎动物原肠胚形成的理想模型。

细胞与组织尺度过程

原肠胚形成的驱动力源于细胞行为：

• •

  细胞重排：通过收敛延伸（convergent extension）驱动组织伸长。鸡胚胎中，中内胚层前体细胞的定向插入形成超细胞肌球蛋白链，引发涡旋状组织流动（Polonaise运动）。

• •

  内化：中内胚层细胞通过顶端收缩（依赖myosin II）和完全上皮-间质转化（EMT）个体化内迁，形成原始条纹。

• •

  细胞分裂：虽非必需，但分裂可缓解各向异性应力，维持组织流动性。

• •

  外包运动（epiboly）：胚胎外组织通过牵引卵黄膜扩张，但胚胎区因内部肌球蛋白收缩抵抗拉伸。

建模方法

细胞尺度模型（如顶点模型）揭示肌球蛋白张力反馈如何通过“捕获键”机制促进细胞连接处肌球蛋白积累，从而协调收敛延伸。连续介质模型则将细胞行为抽象为活性应力场（各向同性/向异性），通过力学-化学耦合方程模拟胚胎尺度流动。例如：

• •

  鸡胚胎模型：肌球蛋白张力依赖的动态不稳定性驱动原始条纹自组织，并能预测环形中内胚层扰动下的两栖/鱼类样结构。

• •

  鹌鹑模型：假设胚胎-外胚层边界存在张力环，但需预设收缩动力学，未能解释应力场起源。

力学与细胞命运

机械应力可能调控中内胚层基因表达。鹌鹑模型提出局部收缩（激活子）与弹性张力（长程抑制子）的拮抗作用可防止多条纹形成。未来需探索力学信号如何与形态发生素（如Wnt）协同调控细胞命运，以及三维折叠（如神经板形成）中的力学-化学耦合机制。

展望

结合三维建模、光片显微技术和转基因工具，未来研究将揭示机械化学反馈在器官发生和再生医学中的普适性规律，为发育障碍和生物工程提供新见解。