曾經(jīng)想知道當(dāng)你只是一個(gè)胚胎時(shí)，細(xì)胞群如何能夠建立你的組織和器官?

加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究員OtgerCampàs和他的團(tuán)隊(duì)利用他開發(fā)的最先進(jìn)的技術(shù)，揭開了這個(gè)長(zhǎng)期存在的神秘面紗，揭示了胚胎如何構(gòu)建的令人驚訝的內(nèi)部工作。該研究及其技術(shù)不僅為現(xiàn)代時(shí)代帶來(lái)了一個(gè)具有百年歷史的假設(shè)，而且為研究人員提供了研究人類健康關(guān)鍵的其他問(wèn)題的基礎(chǔ)，例如癌癥如何形成和傳播，或如何設(shè)計(jì)器官。

“簡(jiǎn)而言之，我們發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞用來(lái)將胚胎組織塑造成功能性三維形狀的基本物理機(jī)制，”坎帕斯說(shuō)，他是UCSB工程學(xué)院的機(jī)械工程教授，他在系統(tǒng)中擔(dān)任Duncan&Suzanne Mellichamp主席。生物學(xué)。他的小組研究生命系統(tǒng)如何自我組織以建立自然界中發(fā)現(xiàn)的顯著結(jié)構(gòu)和形狀。

細(xì)胞通過(guò)交換生化信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)，但它們也相互支持并相互推動(dòng)，以構(gòu)建我們需要生存的身體結(jié)構(gòu)，例如眼睛，肺和心臟。而且，事實(shí)證明，雕刻胚胎離玻璃成型或3D打印并不遠(yuǎn)。在他們的新作品中，“自然”中發(fā)表的“流體到固體干擾轉(zhuǎn)變是脊椎動(dòng)物身體軸伸長(zhǎng)的基礎(chǔ)”，Campàs及其同事發(fā)表的文章顯示，細(xì)胞集體以受控的方式從流體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀態(tài)，以構(gòu)建脊椎動(dòng)物胚胎，以類似于我們?nèi)绾螌⒉ＡＫ艹苫ㄆ炕蛉S打印我們最喜歡的項(xiàng)目?；蛘?，如果您愿意，我們可以從內(nèi)部進(jìn)行3-D打印。

大多數(shù)物體都是以液體開始從金屬結(jié)構(gòu)到明膠甜點(diǎn)，它們的形狀是通過(guò)將熔化的原始材料倒入模具中，然后冷卻它們以獲得我們使用的固體物體而制成的。正如在Chihuly玻璃雕塑中，通過(guò)仔細(xì)熔化玻璃部分以使其慢慢地重塑為生命而制成，胚胎的某些區(qū)域中的細(xì)胞更活躍并且將組織“融化”成可以重構(gòu)的流體狀態(tài)。Campàs解釋說(shuō)，一旦完成，細(xì)胞就會(huì)“降溫”以解決組織形狀。

Campàs說(shuō)：“從流體到實(shí)體組織的轉(zhuǎn)變表明，我們觀察到物理學(xué)中稱為'干擾'。”“干擾過(guò)渡是一種非常普遍的現(xiàn)象，當(dāng)無(wú)序系統(tǒng)中的顆粒(例如泡沫，乳液或玻璃)被迫在一起或冷卻時(shí)發(fā)生。”

這一發(fā)現(xiàn)是由Campàs及其團(tuán)隊(duì)先前開發(fā)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，用于測(cè)量胚胎內(nèi)細(xì)胞之間的力，并在細(xì)胞構(gòu)建組織和器官時(shí)對(duì)細(xì)胞施加微小的力。研究人員使用斑馬魚胚胎，有利于它們的光學(xué)透明度，但發(fā)展與人類對(duì)應(yīng)物一樣，研究人員在生長(zhǎng)組織的細(xì)胞之間放置了一小滴特殊設(shè)計(jì)的鐵磁性液體。球形液滴隨著周圍細(xì)胞的推拉而變形，使研究人員能夠看到細(xì)胞相互施加的力。并且，通過(guò)使這些液滴具有磁性，它們還可以對(duì)周圍的細(xì)胞施加微小的應(yīng)力，以觀察組織的反應(yīng)。

“由于在微小的胚胎中插入微型探針的挑戰(zhàn)，我們能夠測(cè)量以前無(wú)法測(cè)量的物理量，”該論文的第一作者，博士后研究員Alessandro Mongera說(shuō)。

“像其他脊椎動(dòng)物一樣，斑馬魚從很大程度上沒(méi)有形狀的細(xì)胞群開始，需要將身體轉(zhuǎn)變成細(xì)長(zhǎng)的形狀，頭部在一端，尾部在另一端，”Campàs說(shuō)。這個(gè)過(guò)程背后細(xì)胞的物理重組一直是個(gè)謎。令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)制造組織的細(xì)胞集體在物理上像泡沫一樣(是的，如在啤酒泡沫中)，在發(fā)育期間卡住以“凍結(jié)”組織結(jié)構(gòu)并設(shè)定其形狀。

這些觀察結(jié)果證實(shí)了維多利亞時(shí)代的蘇格蘭數(shù)學(xué)家D'Arcy Thompson在100年前的開創(chuàng)性著作“成長(zhǎng)與形式”中所做出的卓越直覺(jué)。

“他確信一些賦予惰性材料形狀的物理機(jī)制也可以起到塑造生物體的作用。值得注意的是，他將細(xì)胞群與泡沫相比較，甚至將細(xì)胞和組織的形狀與玻璃吹制成比較，”Campàs說(shuō)。Campàs補(bǔ)充說(shuō)，一個(gè)世紀(jì)以前，沒(méi)有任何工具可以直接測(cè)試湯普森提出的想法，盡管湯普森的工作至今仍被引用。

新的自然論文也提供了一個(gè)起點(diǎn)，坎帕斯集團(tuán)的研究人員可以從中開始探討胚胎發(fā)育和相關(guān)領(lǐng)域的其他過(guò)程，例如腫瘤如何物理侵入周圍組織以及如何設(shè)計(jì)具有特定三維形狀的器官。

“癌癥的一個(gè)標(biāo)志是兩種不同組織結(jié)構(gòu)之間的過(guò)渡。這種過(guò)渡原則上可以解釋為從固體狀態(tài)到類似流體的組織狀態(tài)的異常轉(zhuǎn)換，”Mongera解釋說(shuō)。“目前的研究有助于闡明這種轉(zhuǎn)變背后的機(jī)制，并強(qiáng)調(diào)一些潛在的可藥物目標(biāo)，以阻止它。”