清華新聞網(wǎng)8月19日電 盡管孔洞形成在傳統(tǒng)固體材料、液體中往往與破壞、失效相關(guān)，但其對于生命體發(fā)育卻意義非凡：它是形成管道、腔體等存儲、輸運、呼吸、消化等功能器官的基本方式。除了在胚胎發(fā)育中的重要作用外，孔洞形成也與多種疾病有關(guān)，如過敏性哮喘中上皮屏障的破壞、腫瘤形成中的上皮通透性提升和癌細(xì)胞穿透間皮組織等。然而，組織內(nèi)的細(xì)胞如何主動變形、協(xié)同遷移產(chǎn)生孔洞的機制尚不清楚。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院生物力學(xué)與醫(yī)學(xué)工程研究所李博與馮西橋課題組結(jié)合長時程活細(xì)胞實驗、牽引力顯微鏡等技術(shù)，發(fā)展細(xì)胞間應(yīng)力表征新方法，構(gòu)建群體細(xì)胞多尺度力學(xué)理論，研究了人胚胎干細(xì)胞上皮樣組織中的自發(fā)孔洞形成與演化。研究表明，細(xì)胞尺度上的主動收縮會引起非均勻的組織尺度的拉伸應(yīng)力，該應(yīng)力足以驅(qū)動上皮樣組織孔洞成核和擴張，產(chǎn)生孔洞網(wǎng)絡(luò)。在此過程中，孔洞可經(jīng)歷從各向同性擴張到局部斷裂，再到各向同性擴張的多次轉(zhuǎn)變。局部累積的拉伸應(yīng)力可導(dǎo)致細(xì)胞間粘附連接鍵斷開，產(chǎn)生細(xì)胞間界面裂紋、引起裂尖應(yīng)力集中，促使裂紋沿細(xì)胞間界面快速擴展；同時，細(xì)胞會自發(fā)協(xié)同地在孔洞邊緣產(chǎn)生超細(xì)胞肌動蛋白環(huán)，通過超細(xì)胞肌動蛋白環(huán)收縮來鈍化裂紋，從而降低裂紋尖端的應(yīng)力水平、穩(wěn)定孔洞擴張的速度（圖1）。相鄰的孔洞可以通過孔間“多細(xì)胞橋”的頸縮、細(xì)胞間斷裂?滑移的方式實現(xiàn)融合，形成更大的孔洞（圖2）。這種新發(fā)現(xiàn)的斷裂?滑移模式可較快實現(xiàn)多細(xì)胞橋頸縮和孔洞融合，同時防止過大的細(xì)胞變形，降低細(xì)胞承受機械損傷的風(fēng)險。此外，基底剛度和基底表面粘附也參與調(diào)控孔洞產(chǎn)生、擴張、融合和網(wǎng)絡(luò)形成的過程。該研究揭示了活細(xì)胞主動協(xié)調(diào)分子、細(xì)胞、組織尺度的力學(xué)行為產(chǎn)生孔洞的機制，所得結(jié)果有助于理解生命體的拓?fù)湫蚊舶l(fā)生、管腔狀器官形成等過程。
圖1.上皮樣組織孔洞形成與演化：（a）實驗設(shè)計；（b）細(xì)胞收縮驅(qū)動上皮樣組織孔洞與網(wǎng)絡(luò)形成；（c）孔邊細(xì)胞變形；（d）孔洞各向同性擴展與局部斷裂；（e）多尺度力學(xué)模型模擬孔洞擴展
圖2.孔洞融合：（a）孔洞融合實驗；（b）孔洞融合模擬；（c）孔間多細(xì)胞橋應(yīng)力集中；（d）孔間多細(xì)胞橋發(fā)生局部頸縮；（e）多細(xì)胞橋的斷裂?滑移；（f）多尺度力學(xué)模型模擬多細(xì)胞橋的斷裂?滑移現(xiàn)象
相關(guān)研究成果以“上皮樣組織主動成孔”（Active hole formation in epithelioid tissues）為題，于8月15日發(fā)表于《自然·物理》（Nature Physics），并被選為當(dāng)期封面。
圖3.研究成果發(fā)表在《自然·物理》當(dāng)期封面
李博與馮西橋團隊主要從事力學(xué)與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的多學(xué)科交叉研究，在軟組織的多尺度力學(xué)、腫瘤力學(xué)、群體細(xì)胞動力學(xué)等領(lǐng)域開展了長期探索，以揭示生命過程中的力生物學(xué)調(diào)控規(guī)律與形態(tài)發(fā)生機理。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院生物力學(xué)與醫(yī)學(xué)工程研究所2021級博士生呂劍青與陳鵬程、博士后陳蘊蘋為論文共同第一作者，航院教授李博為論文通訊作者。李博教授、馮西橋教授共同指導(dǎo)了該工作。參與研究的還有清華大學(xué)核研院副研究員李悅、清華大學(xué)生物力學(xué)與醫(yī)學(xué)工程研究所副教授邵玥等。研究得到國家自然科學(xué)基金委重點項目、創(chuàng)新群體項目、科技部重點研發(fā)項目等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41567-024-02504-1
供稿：航院
題圖設(shè)計：李娜
編輯：李華山
審核：郭玲
