細胞如何通過連接形成組織并保持完整性？

在多細胞生物中，當細胞分裂形成組織和器官時，它們會移動到屬于它們的地方，這是通過科學(xué)家尚未觀察到或完全了解的一系列線索知道的。

傳統(tǒng)上，這些集體運動是在細胞類型之間的生化鑒定的背景下研究的。例如，蛋白質(zhì)E-鈣粘蛋白(在鈣依賴性粘附中發(fā)現(xiàn)并命名)是負責(zé)細胞相互識別能力的元素，其中各種類型的E-鈣粘蛋白出現(xiàn)在生物體的不同部位。這些鈣粘蛋白受體使相似的細胞能夠相互結(jié)合形成特定類型的組織；例如，E-鈣粘蛋白之所以如此命名，是因為它存在于上皮細胞中。

“E-cadherin為細胞之間的“握手”提供了最初的信號，但它們不是連接的主要持有者，”加州圣巴巴拉的教授和機械工程師貝絲普魯特(Beth Pruitt)說，他研究機械生物學(xué)，并試圖更好地理解細胞結(jié)合形成組織，并在經(jīng)歷的正常負荷下保持其完整性。

理解驅(qū)動這種生物行為的化學(xué)-機械機制將更好地定位科學(xué)家，以便在識別過程中出現(xiàn)問題時開發(fā)和治療疾病。這包括癌癥轉(zhuǎn)移，即癌細胞失去對“相似”細胞的依賴并遷移出腫瘤的過程?；虬l(fā)育缺陷或傷口愈合，其中相似的細胞不能結(jié)合來構(gòu)建或修復(fù)健康的組織。

根據(jù)普魯特的說法，這項研究也有助于開發(fā)一個創(chuàng)建實驗室培養(yǎng)器官的系統(tǒng)。從細胞在體內(nèi)的力學(xué)特性來看，用合適的支架培養(yǎng)健康的功能細胞是非常重要的。

當細胞在發(fā)育或傷口愈合過程中向目的地移動時相互滑動時，它們會施加剪切力。具體來說，這些局部面內(nèi)剪切力如何在整個組織中擴散——這在集體組織行為中非常重要——尚未被理解，部分原因是難以在組織中施加直接的局部剪切力。

在發(fā)表在《eLife》雜志上的一篇論文中，加州大學(xué)圣巴巴拉分校和斯坦福大學(xué)的普魯特和她的合著者描述了一種新設(shè)備，該設(shè)備允許他們將干擾引入系統(tǒng)，觀察細胞反應(yīng)行為并測量整體強度，并提供新的見解。鈣粘蛋白在細胞動力學(xué)中的作用。微制造裝置沿著剪切面(如地震斷層)將細胞相互拖動，同時在實驗過程中通過微制造彈簧作為在線力傳感器測量總力。

研究人員的第一個問題是，剪切力是否會導(dǎo)致細胞在發(fā)育或集體遷移過程中相互流動。沒有，但細胞確實變形了，這表明剪切是一種“扭傷”，而不是撕裂。接下來的問題是“受傷”之后會發(fā)生什么。答案是：切割細胞向所有其他細胞發(fā)出信號，表明發(fā)生了什么事情，它們都需要對此做出反應(yīng)和適應(yīng)。

普魯特說：“我們發(fā)現(xiàn)，這種中繼依賴于通過E-鈣粘蛋白結(jié)合和肌動蛋白收縮(后者對所有真核細胞的物理過程至關(guān)重要)的正常細胞間相互作用的存在。

她進一步解釋說，未切割的單層細胞已經(jīng)相互轉(zhuǎn)移，并有其他人觀察到的自然振蕩，但這種振蕩的機制和原因尚不清楚。在剪切細胞單層中觀察到的模式是遷移自然振蕩的放大變體。在這種集體行為中，細胞隨著波動來回跳舞“傷害”，然后遠離它，再向它移動，然后離開，直到細胞恢復(fù)變形前的原始形狀。

“通過觀察這些振蕩并測量整體力，如直列彈簧所實現(xiàn)的，我們可以提出一個機械模型，其中包括機械信號存儲和中繼元件，用于模擬上皮單層，”普魯特解釋說?！斑@個元素與眾所周知的細胞粘彈性平行，這可以解釋我們觀察到的集體行為。細胞可能會利用這種行為，在剪切引起的力不平衡之后，維持發(fā)育中組織的張力穩(wěn)定狀態(tài)?！?

研究人員表示，他們的研究成果以及為研究機械生物學(xué)而創(chuàng)造的新設(shè)備，將使科學(xué)家能夠提出新的問題，即其他類型的細胞如何感知和傳遞多細胞組織中的力，尤其是剪切力。

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