北航樊瑜波/杜婧团队在力学因素影响组织形态发生机制研究中取得重要进展

点击数:    |    加入时间:2022-02-13

北航新闻网2月13日电(通讯员 侯丹丹)近日,北京航空航天大学生物与医学工程学院、生物医学工程高精尖创新中心、生物力学与力学生物学教育部重点实验室樊瑜波、杜婧团队联合清华大学航天航空学院工程力学系曹艳平团队,在力学因素影响组织形态发生的机制研究中取得了重要的进展。相关工作以“ Self-Organization of Tissue Growth by Interfacial Mechanical Interactions in Multilayered Systems”为题,2022年2月9日在线发表于Advanced Science期刊上。

生物体内的多层组织大多由单层组织发育演化而来,该过程广泛存在于胚胎发育、组织再生和肿瘤转移等多种生理和病理转化中。组织三维多层演化是一个复杂的时空调控过程。尽管已经有研究揭示了一些生化因子在其中所起的作用,然而,组织多层化形态发生的启动因素这一关键问题一直未得到解答。

樊瑜波/杜婧研究团队发现,组织在生长过程中由于界面相互作用,在组织内部产生足够的压缩梯度,后者通过触发空间不对称细胞分裂,从而导致组织分层。而在流动性高的组织中,由于无法蓄积足够的压缩梯度,也就不容易发生分层化。这一发现揭示了一种多层组织形态发生的自组织机制,同时也强调了组织层面的力学作用可以通过调节单个细胞的行为,进而影响组织的形态发生进程。

在单克隆细胞片层模型(a)和鸡胚皮肤毛囊发育模型(b)中发现,组织生长到一定临界尺寸的时候会发生分层。细胞片层生长分层的机制和薄膜失稳类似,在界面剪切力作用下, 形成从边缘到中心逐渐增大的压缩应变梯度(c)。而当细胞的压缩应变超过临界值的时候则通过触发空间不对称分裂导致组织分层(d)。压缩应变的程度与组织生长应变、细胞-基底粘附力有关(e)。

进一步研究发现,组织分层还受组织流动性的影响。不易发生分层的组织(如:MDCK细胞片层)的流动性更强 (f), 因此在生长过程中不易出现压缩应变梯度 (g),从而表现为二维组织变形而非分层化。最后,改变组织的流动性,可以通过调控组织内部压缩应变梯度,从而影响细胞片层的分层化(h,i)以及鸡胚皮肤毛囊发育中的形态发生(j)。

该研究在国家自然科学基金和国家重点研发计划项目资助下完成。北京航空航天大学生物与医学工程学院博士研究生生陈泰霖和湖南大学机械与运载工程学院副教授赵岩为共同第一作者。北京航空航天大学杜婧副教授、樊瑜波教授和清华大学曹艳平教授为共同通讯作者,北京航空航天大学为第一完成单位。(论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202104301

(审核:李德玉)

编辑:贾爱平


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