组织中3D结构的连通性为器官发育提供了指标

人体器官具有复杂的充满液体的管路和环路网络。它们具有不同的形状，并且它们的三维结构彼此之间的连接也不同，具体取决于器官。在胚胎发育过程中，器官从一组简单的细胞中发育出它们的形状和组织结构。了解器官发育过程中形状和复杂的组织网络是如何产生的一直具有挑战性。

来自德累斯顿马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所(MPI-CBG)和复杂系统物理研究所(MPI-PKS)的科学家们首次定义了器官发育指标，因为以及维也纳的分子病理学研究所(IMP)。在他们发表在《自然物理学》上的研究中，国际研究人员团队提供了必要的工具，将类器官(微型器官)领域转变为一门工程学科，以开发人类发展的模型系统。

细胞的集体相互作用导致生物体在发育过程中的形成。不同的器官具有不同的几何形状和不同连接的三维结构，这些结构决定了器官中充满液体的管道和环路的功能。一个例子是肾脏的分支网络架构，它支持血液的高效过滤。

观察生命系统中的胚胎发育很困难，这就是为什么描述充满液体的管和环网络如何发育的概念如此之少的原因。虽然过去的研究表明细胞力学如何在生物体发育过程中引起局部形状变化，但尚不清楚组织的连通性是如何出现的。

通过结合成像和理论，研究人员KeisukeIshihara在MPI-CBG和MPI-PKS的JanBrugues小组中首先开始研究这个问题。后来他继续在IMP的EllyTanaka小组工作。Keisuke与他的同事ArghyadipMukherjee(以前是MPI-PKS的FrankJülicher小组的研究员)和JanBrugués一起使用了源自小鼠胚胎干细胞的类器官，这些类器官形成了一个复杂的上皮网络，排列器官并起到屏障的作用.

“我仍然记得激动人心的时刻，当时我发现一些类器官已经转变为具有多个芽的组织，看起来像一串葡萄。不过，描述发育过程中三维结构的变化被证明是具有挑战性的，”Keisuke说。“我发现这个类器官系统产生了惊人的内部结构，有许多环路或通道，就像一个有洞的玩具球。”

研究类器官中组织的发育有几个优点：可以用先进的显微镜方法观察它们，从而可以看到组织深处的动态变化。也可以大量产生，控制环境影响发展。研究人员能够研究上皮细胞的形状、数量和连接性。他们追踪了类器官内部结构随时间的变化。

Keisuke继续说道，“我们发现组织连通性来自两个不同的过程：两个独立的上皮细胞融合或单个上皮细胞通过融合其两端而自融合，从而形成一个甜甜圈形环。”研究人员根据上皮表面理论提出，上皮的不灵活性是控制上皮融合进而控制组织连通性发展的关键参数。

该研究的负责人JanBrugues、FrankJülicher和EllyTanaka总结道：“我们希望我们的发现能够让人们对复杂的组织结构以及器官发育中形状和网络连通性之间的相互作用产生全新的认识。我们的实验和分析框架将帮助类器官群体描述和设计模仿人体器官的自组织组织。通过揭示细胞因素如何影响器官发育，这些结果也可能对对组织原理感兴趣的发育细胞生物学家有用。”