关于器官结构如何发展的新思维方式

通过采用整体而非还原论的方法来研究组织形成，研究人员揭示了信号分子如何影响塑造发育器官的生物物理过程。由洛克菲勒大学形态发生实验室联合主任艾伦·罗德里格斯和艾米·谢尔领导的一项新研究在《科学》杂志上描述了这些过程。

这项工作的基础是思维方式的根本转变，旨在为器官发育研究提供更广泛的、有意义的背景，甚至可能转化为对许多人类疾病的更有效的诊断和治疗。

“推动我们大部分工作的问题是成千上万的细胞如何聚集在一起产生组织中可见的有序模式，”罗德里格斯说。“我们的结果表明，除了分子和单个细胞之外，还有一种新的秩序需要考虑。”

鸟瞰器官发育

先前关于器官发育的工作很大程度上依赖于形态发生素，即在影响细胞身份和行为方面发挥关键作用的信号分子。开创性的研究表明，各种形态发生素发生突变后，会导致器官畸形(这项工作获得了诺贝尔奖)。

但大多数关于形态发生素的研究都集中在这些信号分子如何在遗传或分子水平上逐个细胞地发挥作用，假设组织形成的复杂编排取决于每个单独细胞中表达的基因。

罗德里格斯和谢尔怀疑，对注定形成组织的整个细胞群进行更广泛的观察——从所谓的集体细胞尺度或超细胞水平的观点——可能会在很大程度上解释迄今为止仍然无法解释的事情。

“形态发生素对于发育至关重要，但关于它们如何参与塑造组织，特别是当涉及数千个细胞的集体时，还有许多悬而未决的问题，”Shyer说。“我们试图超越单个细胞的思考，并在更大的范围内观察组织的形成。”

为了证明器官发育鸟瞰图的重要性，罗德里格斯和谢尔以发育中的鸡皮肤作为模型。

研究人员选择他们的系统是因为其理想的复杂程度：皮肤发育成一片平坦的薄片，上面点缀着一系列的凸起，这意味着它足够简单，但又足够复杂，可以作为人体器官固有的复杂性的模型。。通过研究细胞规模之外的皮肤胚胎组织，研究小组希望确定器官中新结构是如何产生的。

皮肤结构在鸡胚胎发育大约一周的关键窗口期聚集在一起，类似于人类在子宫内发育大约一个月。

“这是一个独特且关键的阶段，人类几乎与牛、老鼠或鸡没有什么区别。这就是你获得终生持续的组织结构的时候，”罗德里格斯解释道。“脊椎动物在这个阶段看起来非常相似，这表明存在深刻的、保守的原则。”

粘度、弹性和机械活性

在确定胚胎皮肤发育的关键拐点后，研究小组开始在集体细胞规模上进行分析。作者重点描述了当暴露于形态发生素时真皮细胞集体的材料和机械特性出现的变化：粘度、弹性和机械活性。

关注细胞集体而不是单个细胞，提供了一种观察具有功能意义的特征的方法，否则这些特征可能会被错过。

自由星

单个心肌细胞无法泵血，单个神经元无法写出歌剧;心脏和大脑只有通过集体行动才能充分发挥作用，这种集体行动在某种程度上超越了其组成单位的能力。

研究此类复杂系统的人将此类现象称为“突现属性”，因为这些能力并不存在于任何单个组件中，而是仅通过它们的动态相互关系而出现。

研究小组假设，细胞集体的新兴特性可以反映在物理特性上，例如粘度、弹性和机械活动。

“我们想要解决的挑战是通过实验捕获并证明这些新兴特性在集体细胞水平上的存在，”罗德里格斯说。

该团队与共同第一作者SichenYang和KarlPalmquist(两人都在洛克菲勒进行研究生学习)一起开发了测量超细胞物理特性的技术。其中一项检测涉及原子力显微镜，它通过用探针刺激组织并测量其硬度来测试整个组织的材料特性。

“集体细胞规模的好处在于你实际上可以拉动和推动它，”谢尔说。“这是一种非常有触觉的做事方式。”

研究小组还使用了另一种称为球体融合的测定法，他们描述了两个“球体”细胞簇在彼此相邻放置时如何融合在一起。

“当两滴雨滴接触时，它们会迅速融合成一个大水滴，这表明它们具有流动性。另一方面，当两个台球彼此相邻放置时，它们保持分开，这表明它们的固体性质，”谢尔说。

当用一种特定的形态发生素——骨形态发生蛋白(BMP)处理球体时，细胞簇像水一样融合在一起。然而，当用不同的形态发生素、成纤维细胞生长因子(FGF)处理球体时，它们仅像两个粘土球一样部分合并，表明硬度增加。

然后，该团队与应用数学家、熨斗研究所研究员皮尔逊·米勒(PearsonMiller)合作，开始探索超细胞物理特性的这种变化如何导致新结构的形成。

该团队将定量生物物理模型与实验数据相结合，提供证据表明，被活跃流体边缘包围的固体核心出现在机械不稳定的几何形状中。这种不稳定性会自行解决，并在此过程中产生从皮肤平面升起的突出物。

受亚细胞尺度思维的影响，该领域假设这些突起是基于单个细胞的迁移或局部增殖。相比之下，这项研究表明，负责创造新器官结构的关键物理行为是在超细胞尺度上发挥作用的。