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發育中的胚胎——如圖中的斑馬魚——在成長過程中依靠實體作用力來塑造自己的形狀 | 圖源：Philipp Keller/ HHMI Janelia Research Campus
導 讀
科學家正在研究機械力在人體中的作用——從胚胎到成年。
撰文｜Amber Dance
生命的最初，一個胚胎不分前後、頭尾，就是一團簡單的細胞。但很快，平滑的細胞團開始改變，液體聚集到細胞團中央，細胞像蜂蜜一樣流動，占據它們在未來身體中的位置。細胞層像折紙一樣折疊，建構出心髒、腸道和大腦。
如果沒有擠壓、彎曲和拉拽力使發育中的動物成形，這一切都不會發生。即使成年以後，其細胞也會繼續對彼此之間以及來自環境的推力和拉力做出響應。
紐約洛克菲勒大學研究器官形成的發育生物學家Amy Shyer說，身體群組織的形成模式仍然是 “我們這個時代最重要的、卻知之甚少的問題之一”。幾十年來，生物學家一直在集中研究基因和其他生物分子塑造身體的方式，這主要是因為這些信号的分析工具容易獲得，而且一直在進步。相比之下，機械力受到的關注則少得多。
西班牙巴塞羅那加泰隆羅尼亞生物工程研究所的機械生物學家 Xavier Trepat 說，隻研究基因和生物分子 “就好比隻用一半的字母表寫一本書”。
在過去的20年中，越來越多的科學家開始關注力學在器官和生物體各個發育階段的重要性。研究人員開始定義細胞感覺、響應和産生力的機制。他們通過發明定制的工具和開發一些技巧，結合雷射和微量移液器、磁性顆粒和定制的顯微鏡來實作。大多數研究人員都在使用培養皿中培養的細胞或組織來探測力學信号，僅有少數幾個小組在研究整個動物，這些動物中往往會發現與分離出的組織表現不同的機制。倫敦大學學院的發育生物學家 Roberto Mayor 表示，這些體内研究有許多挑戰——例如要在複雜組織中測量微小的力——但它們對于了解力在雕刻生命中的作用至關重要。
少數意志堅定的科學家迎難而上，已經觀察到了塑形生物的關鍵力量——從胚胎存在的初始階段到疾病侵襲的生命晚期。将來，這些資訊或能針對不孕症或癌症等問題設計出更好的幹預措施。
“隻要有形狀的地方，就有力在發揮作用。” 法國發育生物學研究所的發育生物學家 Thomas Lecuit 說。
從一開始就很有力
在胚胎成形之前，它必須打破平滑細胞團的對稱性。在了解到基因和化學作用對這個過程的操控之後，科學家現在對力學有了更多的認識。巴黎居裡研究所的生物學家 Jean-Léon Ma tre 說：“一點一點，機械力在發育過程中的作用逐漸顯現出來。” 例如，流體壓力和細胞密度等實體特性是哺乳動物胚胎形成前、後、頭、尾的關鍵。
Ma tre團隊研究了構成最早期小鼠胚胎的最初細胞團如何形成一個巨大的、充滿流體的腔體。随着這個腔體的填滿，即将形成胎兒的細胞被推向一邊。這是第一個打破對稱性的事件，它確定胚胎能正确植入子宮壁，也決定了胚胎的哪邊是背部、哪邊是腹部。但目前尚不清楚胚胎如何産生并定位腔體（見 “發育的壓力”）。
圖1 來源：參考文獻2
當Ma tre團隊對該過程進行細節成像時，他們發現了一些出乎意料的情況。“我們看到了這些小水泡，它們在細胞與細胞間形成，” Ma tre說，“它們轉瞬即逝——如果成像速度不夠快就會錯過。”這些水泡中的流體來自胚胎周圍的液體 [1]，這些液體由于外部水分子濃度較高而被迫進入内部。然後，團隊看到了水從單個水泡流到一個大的腔體，Ma tre認為這可能是通過細胞之間的間隙。
研究人員通過觀察跨細胞間隙的蛋白質證明了這種情況是如何發生的，這些蛋白質互相接觸将細胞緊密地粘在一起 [2]。水泡出現後，這些粘附蛋白似乎會随着細胞被推開而破裂。具有較少粘附蛋白的細胞更容易被分開。
Ma tre說，這是首次觀察到加壓流體可以通過破壞細胞之間的連接配接來塑形胚胎。為什麼胚胎會通過強迫細胞分開的方式進行自我塑造？他說，“這種方式似乎效率低下，風險很大。” 他能想到的最好原因是，這個政策的演化形成不是因為它是最好的，而是因為它已經夠好了。團隊目前正在研究人類細胞，他希望對胚胎力學的進一步了解能幫助一些試管嬰兒診所确定哪些胚胎能實作成功受孕。
在後續發育中，胚胎又在一個方向上打破了對稱性，分化出頭和尾。加州大學聖塔芭芭拉分校的生物實體學家 Otger Campàs 追蹤了斑馬魚（Danio rerio）胚胎中尾巴生長的過程 [3]。他的課題組通過将負載了磁性納米顆粒的油滴注射到細胞之間的間隔來測量其中涉及的力。然後該團隊施加磁場使液滴變形，以便測量組織對推力如何響應。
圖2 為了對該斑馬魚胚胎的細胞進行推拉，研究人員用磁場使一個磁性液滴（黃色）變形 | 圖源：Alessandro Mongera和Otger Campàs，加州大學聖塔芭芭拉分校
他們發現，尾巴在發育時的尖端處于被實體學家稱為 “流體”（fluid）的狀态——細胞自由流動，受壓時組織極易變形。離尾端越遠的組織也越硬。Campàs回憶道，“我們當時知道它在變硬，但我們不明白其中的機制。”
細胞之間沒有能夠增加硬度的東西——沒有能構成結構性基質的分子——但是當研究人員測量細胞之間的間距時，他們發現在濕軟的尾尖中距離較大，越靠近頭部距離越小 [4]。當細胞聚集在一起時，組織也變硬了。Campàs将這種轉變比作包裝咖啡顆粒的過程：咖啡顆粒能自由地倒入袋中，但裝得太緊，裝滿的袋子就像磚頭一樣硬。他打算研究這種機制是否是其他胚胎結構（如肢芽）形成的基礎。
制造心髒和大腦
一旦發育中的胚胎做好了安排，各個器官就會開始形成。新加坡國立大學的發育生物學家 Timothy Saunders 說：“從根本上講，我們對任何一個内髒器官的形成機制都不太了解。”（他指出，腸道是一個例外。）
情況已經有所改變。例如，Saunders的小組用果蠅Drosophila的胚胎研究心髒的形成。一個關鍵事件是，兩塊組織聚到一起形成一個管，這個管最終會成為心髒。每塊組織含有兩種心肌細胞。這些組織必須正确組合，就像拉拉鍊一樣，鏡像配對，才能得到健康的心髒。“我們經常看到組合發生錯配随後被修正，” Saunders說，“是什麼引起了這種修正？”
原來是來自心髒細胞自身的一種力量。名為肌球蛋白II的蛋白質是能使肌肉細胞收縮的蛋白質的近親，已知其在拉拉鍊的過程中會從每個細胞的中心流向細胞的邊緣。當時還是研究所學生的 Shaobo Zhang——現正在準備加州大學舊金山分校的博士後職位——想知道肌球蛋白是否會産生這些配對細胞結合的反作用力，打破錯配型之間的連接配接。
為了驗證他的理論，Zhang用雷射将成對的細胞切開。這些細胞迅速分離，就像一根拉緊的橡皮筋突然被剪斷了一樣。Saunders說：“我們可以看到漂亮的反沖。”但是，當團隊切開缺乏肌球蛋白II的細胞時，“什麼都沒有發生”。肌球蛋白就像用手指拉橡皮筋的動作，從内部産生了連接配接的反作用力 [5]，讓不比對細胞之間的連接配接斷開，進而有機會找到正确的配對。
英國劍橋大學的研究人員在非洲爪蟾Xenopus的胚胎中發現，簡單的細胞增殖也能發出信号，訓示細胞正确地自我排布。實體生物學家 Kristian Franze 上司的團隊已經發現，随着眼腦連接配接逐漸形成，眼内神經元會讓它們的軸突（軸突是神經元用于互相接觸的長突觸）沿着由腦組織不同硬度定義的路徑延伸。在發育的大腦中，眼睛的軸突會跟随較軟的組織向中樞延伸 [6]。
為确定該路徑何時以及如何形成，團隊特制了一個顯微鏡。使用這個顯微鏡可以在觀察在體過程的同時利用微小的探針測量組織的硬度 [7]。在埃爾朗根-紐倫堡大學醫學實體和微組織工程研究所擔任負責人的Franze說，他們看到硬度梯度在軸突到達并沿其延伸的約15分鐘前出現。
硬度梯度是如何出現的？和發育中的斑馬魚尾巴一樣，青蛙大腦中較硬的組織似乎包含更高密度的細胞。當團隊阻止發育胚胎中的細胞分裂時，硬度梯度就不再出現，軸突也找不到路徑了。将空間塞滿細胞似乎是引導神經系統連接配接的一種快速有效的方法。
持續的壓力
發育成熟的動物在繼續成長或應對疾病的過程中也必須與力抗衡。例如，當身體膨脹時，皮膚也會生長以覆寫它。外科醫生在乳房重建術中利用了這一點，該手術需要更多的皮膚以覆寫植入物。首先，他們插入一個 “氣球”，并在幾個月内注入鹽水逐漸使之脹大，拉伸原有的皮膚，直至長出足夠的新皮膚後再進行二次手術。
但是，皮膚細胞是如何響應這種壓力并增殖的呢？幹細胞生物學家 Mariaceleste Aragona 在比利時布魯塞爾自由大學做博士後時，與 Cédric Blanpain 合作解決了這個問題。她在小鼠皮膚下植入了一種自膨脹水凝膠小球 [8]。随着水凝膠吸收液體達到4毫升的終體積，皮膚也在其周圍拉伸。在植入水凝膠的一天之内，Aragona看到皮膚外層下的幹細胞開始增殖，提供了能分化成新皮膚的原材料。
但是并非所有的幹細胞都能響應這種拉伸而增殖——隻有一個之前未知的亞群會開始輸出新的幹細胞。“我們仍然不知道原因”，目前在哥本哈根大學工作的Aragona說。Blanpain補充道，闡明此系統有望破解促進皮膚生長的方法，用于外科手術重建或創傷愈合。
組織的力學特性在異常細胞生長（如癌症）中也起了作用。Trepat說：“實體惡性良性腫瘤比正常組織硬。” 他說，部分原因是由于細胞周圍過量存在一種被稱為細胞外基質的纖維網狀物，也因為癌細胞本身正在增殖。
Trepat解釋道，“硬度會增加癌細胞的惡性”，如果科學家能夠了解其中原因，他們就有可能設計出改變這些實體特性并降低癌症危險性的療法。
在一項相關研究中，洛克菲勒大學的研究人員已确認機械力可以解釋為什麼有些皮膚癌是良性的而有些是惡性的。皮膚幹細胞會産生兩類癌症：不會擴散到皮膚外的基底細胞癌和浸潤性的鱗狀細胞癌。這兩種都會擠壓下層的基底膜，基底膜是一層結構蛋白，能将皮膚的外層與更深的組織分隔開。良性的基底細胞惡性良性腫瘤幾乎不會穿過基底膜，但侵略性較強的鱗狀細胞惡性良性腫瘤經常逃脫，在脈管系統中遊走，并定植在身體的其他部位（見 “皮膚癌的機制”）。
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幹細胞生物學家 Elaine Fuchs 和 Vincent Fiore 在研究小鼠皮膚時發現，良性癌症會形成一個更厚、更柔軟的基底膜，向下擠壓時包含着惡性良性腫瘤細胞的基底膜就像戴着手套一樣。而侵襲性惡性良性腫瘤會形成一個更薄的基底膜。
來自上方的力量也有助于浸潤性惡性良性腫瘤的逃脫。鱗狀細胞癌形成一層硬的分化的皮膚細胞，稱為角化珠。通過擠壓惡性良性腫瘤頂部，角化珠幫助惡性良性腫瘤沖破脆弱的基底膜，就像一拳打破了玻璃 [9]。
Fuchs表示，在開展這項研究之前，研究人員曾認為這些具有固定特征的分化的皮膚細胞不會産生機械力。她說：“我認為這才是最大的驚喜。”
接下來，Fuchs和Fiore計劃研究細胞是如何感覺這些機械力的，以及它們如何将力轉化為可能生成更多基底膜或是促分化的基因表達程式。
洛克菲勒大學的發育生物學家 Alan Rodrigues 說，力和基因的關系是個關鍵問題。這不僅是皮膚癌的問題。他說：“力學中的深層問題其實是力與分子有什麼關系的問題。”
其他人也在研究這種關系。Lecuit說：“這不是一刀切：‘一切都是基因的作用’ 或是 ‘一切都是力的作用’，而是兩者之間一場有趣的對話。”
原文以The secret forces that squeeze and pull life into shape為标題發表在2021年1月13日《自然》的新聞特寫版塊上。
參考資料：
1. Schliffka, M. F. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.09.10.291997 (2020).
2. Dumortier, J. G. et al. Science 365, 465–468 (2019).
3. Serwane, F. et al. Nature Methods 14, 181–186 (2017).
4. Mongera, A. et al. Nature 561, 401–405 (2018).
5. Zhang, S., Teng, X., Toyama, Y. & Saunders, T. E. Curr. Biol. 30, 3364–3377 (2020).
6. Koser D. E. et al. Nature Neurosci. 19, 1592–1598 (2016).
7. Thompson, A. J. et al. eLife 8, e39356 (2019).
8. Aragona, M. et al. Nature 584, 268–273 (2020).
9. Fiore, V. F. et al. Nature 585, 433–439 (2020).