皮肤表皮中细胞命运决定的力学调控机制

本研究通过建立三维顶点模型，揭示了机械力通过调控细胞形态影响表皮干细胞命运选择的新机制。研究人员发现基底膜张力异质性可导致细胞从稳态中性漂移转向指数级克隆扩张，并建立了细胞形状与克隆动态的量化关系，为理解基底细胞癌发病机制提供了力学视角。

　　

在多层组织如皮肤表皮中，稳态维持依赖于干细胞增殖与分化的精密平衡。虽然单细胞命运选择的动力学特征已被逐步揭示，但其背后的机械力学基础仍不明确。表皮作为研究复杂命运选择的多层组织范式，其基底层的增殖细胞需要不断做出命运抉择：要么产生两个基底子细胞（对称增殖），要么产生一个基底细胞和一个基底上细胞（不对称分化）。这些选择在群体水平必须保持平衡以确保细胞数量稳定，而在伤口愈合或癌症发生过程中这种平衡会被打破。

传统认为细胞命运决定取决于两类因素：细胞内在的基因调控网络和细胞外部的生化信号。然而从理论角度看，这些模型都产生相似的群体动态，无法解释机械力如何影响三维细胞命运选择。《Nature Communications》最新发表的这项研究通过建立三维顶点模型，首次揭示了机械力竞争如何自然产生稳态和实验观察到的中性漂移动力学。

研究人员开发了基于顶点模型的三维计算框架，模拟了基底层的增殖过程。该模型采用固体状细胞形状指数(s₀=5.3)和固定体积弹性系数(K_V=1)，通过Voronoi镶嵌方法构建三层上皮组织。模型引入了基底膜界面张力T_j，并添加随机噪声模拟细胞运动。关键技术包括：三维顶点模型构建、计算谱系追踪、机械参数异质性引入、细胞形态量化分析，以及利用Krt14-CREER/SmoM2-YFP和Krt14-CREER/YFP转基因小鼠模型进行体内验证。

稳态组织呈现平衡的中性漂移动力学

模拟显示，最小化系统自然形成了与体内类似的空间和动态组织。基底细胞呈现顶基取向的棱柱形状，而基底上细胞更加各向同性，这是由于基底膜的约束作用。系统自组织形成从基底层向基底上层的持续流动，因为分裂后留在基底层会导致拥挤，从能量角度不如移动到基底上层有利。所有基底细胞被建模为相同，机械上准备挤向基底上层的细胞是一个随机过程，导致上皮内的中性漂移动力学。

计算谱系追踪显示，随着细胞分裂和从基底层挤出，存活克隆数量以1/t下降，平均存活克隆大小线性增长。谱系重建显示约25%的基底细胞分裂产生两个基底细胞，50%产生一个基底和一个基底上细胞，25%产生两个基底上细胞。这与分裂后两个子细胞具有不相关的50-50挤出概率的预期一致，与小鼠耳表皮短期活体成像观察值非常接近。

机械异质性驱动不平衡命运选择

为了模拟肿瘤发生等过程，研究人员放松了相同基底细胞的假设，研究机械张力差异的影响。当少数突变细胞及其后代被赋予降低的基底膜张力（比率R=T_B/T>1）时，微小的基底张力差异就足以驱动克隆行为的深刻变化。

细胞命运选择严重偏向对称分裂，基底克隆尺寸更大。克隆生长动态从线性变为指数性，仅10%的基底张力降低就足以产生几乎独占的对称分裂。通过研究不同的基底张力差异值，发现这种效应是渐进式的，平均基底克隆尺寸随张力比R单调增加。

这些结果表明基底张力在促进肿瘤细胞粘附到基底膜方面起关键作用，这是一种类似润湿的现象，有利于它们在分裂后留在基底层，从而提供相对于周围野生型细胞的竞争优势。

细胞形状与命运选择的量化关系

研究发现，随着张力比R增加，肿瘤细胞倾向于采用基底面积扩大的金字塔形状，反映了它们对基底粘附的偏好。这种细胞形状变化随R增加而逐渐变化，可作为张力差异的直观读数。另一种补充指标是WT-突变克隆界面侧向区域之间的接触角，随着R增加而越来越倾斜。

这意味着模型预测了肿瘤细胞形状（静态形态特征）与其在分裂和分化之间的命运选择偏差（复杂动态特性）之间存在高度非平凡但稳健的相关性，预测大致为线性关系。

基底细胞癌起始的模型验证

为了测试这一预测，研究人员使用基底细胞癌(BCC)遗传小鼠模型，通过他莫昔芬诱导Krt14-CREER/SmoM2-YFP小鼠表皮基底细胞中Hedgehog信号通路激活。低剂量他莫昔芬导致表皮基底细胞中癌基因在少数细胞中激活，形成良好分离的克隆。

与稳态条件相比，癌基因激活产生的克隆显示基底区室扩张，基底细胞数量/克隆增加。这主要是由于对称更新增加/分化受损，而非细胞凋亡增加。通过两种量化方法验证理论预测：计算肿瘤和WT克隆横截面的"润湿"角，以及基于WT和肿瘤细胞基底面积A_b的不同量化策略。

两种方法一致指向肿瘤细胞张力不平衡约为5-10%，这足以在模型中重现长期谱系追踪实验中观察到的对称更新失衡程度。从模拟预测的张力比R≈1.05对应克隆失衡约Δ=40%，与平滑蛋白激活后数月长期克隆动态拟合发现的25-30%克隆失衡相当。

研究结论与意义

这项研究通过三维顶点模型证明，机械力和有限空间竞争能够自然产生通过平衡随机命运选择的稳态。基底层过度拥挤在机械上不稳定，导致最初对称分裂在群体水平上解析为不对称命运结果。

引入机械异质性后，稳态平衡迅速转向对称分裂。仅10%的基底张力差异就足以诱导基底层内的肿瘤样侵袭性，而不需要任何分裂速率变化。这提示差异性的机械变化可能驱动肿瘤中的差异命运和侵袭。

机械模型的核心组成部分是细胞形状，意味着WT和肿瘤细胞之间的张力差异以可预测的两种群体之间的差异形状表现出来。通过两种形态计量学指标在WT和肿瘤细胞不同时间点的测量，发现这两种指标一致指向肿瘤细胞张力不平衡为5-10%，这足以在模型中重现长期谱系追踪实验中观察到的对称更新失衡程度。

这项研究强调了机械力不仅作为组织形状的调节者，而且在增殖潜力取决于组织位置的设置中通过调节细胞命运选择而对组织动力学的关键作用。虽然研究集中在皮肤表皮，但模型具有高度通用性，可应用于任何分层组织。除了这种机械效应外，逻辑上的下一步将是考虑通过机械感应更直接的力量反馈，以及考虑具有更异质命运的更复杂组织。

这项研究通过建立力学与细胞命运之间的定量关系，为干细胞生物学提供了强大的理论框架，将易于获取的形态特征（如细胞形状）与癌症初始阶段的命运和克隆扩张联系起来，为理解肿瘤发生机制和开发新的治疗策略提供了新的视角。