以下文章來源於Nature Portfolio ，作者Nature Portfolio。
發育中的胚胎——如圖中的斑馬魚——在成長過程中依靠物理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
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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，佔據它們在未來身體中的位置。細胞層像摺紙一樣摺疊，構建出心臟、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，身體和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，這主要是因為這些訊號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，只研究基因和生物分子 “就好比只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、響應和產生力的機制。他們透過發明定製的工具和開發一些技巧，結合鐳射和微量移液器、磁性顆粒和定製的顯微鏡來實現。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訊號，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，這些體內研究有許多挑戰——例如要在複雜組織中測量微小的力——但它們對於理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。將來，這些資訊或能針對不孕症或癌症等問題設計出更好的干預措施。
“只要有形狀的地方，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。在瞭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。巴黎居里研究所的生物學家 Jean-Léon Maître 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物理特性是哺乳動物胚胎形成前、後、頭、尾的關鍵。
Maître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。隨著這個腔體的填滿，即將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，它確保胚胎能正確植入子宮壁，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產生並定位腔體（見 “發育的壓力”）。
圖1 來源：參考文獻2
當Maître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，” Maître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]，這些液體由於外部水分子濃度較高而被迫進入內部。然後，團隊看到了水從單個水泡流到一個大的腔體，Maître認為這可能是透過細胞之間的間隙。
研究人員透過觀察跨細胞間隙的蛋白質證實了這種情況是如何發生的，這些蛋白質互相接觸將細胞緊密地粘在一起 [2]。水泡出現後，這些粘附蛋白似乎會隨著細胞被推開而破裂。具有較少粘附蛋白的細胞更容易被分開。
Maître說，這是首次觀察到加壓流體可以透過破壞細胞之間的連線來塑形胚胎。為什麼胚胎會透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，這個策略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瞭解能幫助一些試管嬰兒診所確定哪些胚胎能實現成功受孕。
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物理學家 Otger Campàs 追蹤了斑馬魚（Danio rerio）胚胎中尾巴生長的過程 [3]。他的課題組透過將負載了磁性奈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於被物理學家稱為 “流體”（fluid）的狀態——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，他們發現在溼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將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。
製造心臟和大腦
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，我們對任何一個內臟器官的形成機制都不太瞭解。”（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的胚胎研究心臟的形成。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臟。每塊組織含有兩種心肌細胞。這些組織必須正確組合，就像拉拉鍊一樣，映象配對，才能得到健康的心臟。“我們經常看到組合發生錯配隨後被修正，” Saunders說，“是什麼引起了這種修正？”
原來是來自心臟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產生這些配對細胞結合的反作用力，打破錯配型之間的連線。
為了驗證他的理論，Zhang用鐳射將成對的細胞切開。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衝。”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，從內部產生了連線的反作用力 [5]，讓不匹配細胞之間的連線斷開，進而有機會找到正確的配對。
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訊號，指示細胞正確地自我排布。物理生物學家 Kristian Franze 領導的團隊已經發現，隨著眼腦連線逐漸形成，眼內神經元會讓它們的軸突（軸突是神經元用於互相接觸的長突觸）沿著由腦組織不同硬度定義的路徑延伸。在發育的大腦中，眼睛的軸突會跟隨較軟的組織向中樞延伸 [6]。
為確定該路徑何時以及如何形成，團隊特製了一個顯微鏡。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-紐倫堡大學醫學物理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並沿其延伸的約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。將空間塞滿細胞似乎是引導神經系統連線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，面板也會生長以覆蓋它。外科醫生在乳房重建術中利用了這一點，該手術需要更多的面板以覆蓋植入物。首先，他們插入一個 “氣球”，並在幾個月內注入鹽水逐漸使之脹大，拉伸原有的面板，直至長出足夠的新面板後再進行二次手術。
但是，面板細胞是如何響應這種壓力並增殖的呢？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。她在小鼠面板下植入了一種自膨脹水凝膠小球 [8]。隨著水凝膠吸收液體達到4毫升的終體積，面板也在其周圍拉伸。在植入水凝膠的一天之內，Aragona看到面板外層下的幹細胞開始增殖，提供了能分化成新面板的原材料。
但是並非所有的幹細胞都能響應這種拉伸而增殖——只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，闡明此係統有望破解促進面板生長的方法，用於外科手術重建或創傷癒合。
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：“實體腫瘤比正常組織硬。” 他說，部分原因是由於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”，如果科學家能夠理解其中原因，他們就有可能設計出改變這些物理特性並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確認機械力可以解釋為什麼有些面板癌是良性的而有些是惡性的。面板幹細胞會產生兩類癌症：不會擴散到面板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，能將面板的外層與更深的組織分隔開。良性的基底細胞腫瘤幾乎不會穿過基底膜，但侵略性較強的鱗狀細胞腫瘤經常逃脫，在脈管系統中游走，並定植在身體的其他部位（見 “面板癌的機制”）。
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幹細胞生物學家 Elaine Fuchs 和 Vincent Fiore 在研究小鼠面板時發現，良性癌症會形成一個更厚、更柔軟的基底膜，向下擠壓時包含著腫瘤細胞的基底膜就像戴著手套一樣。而侵襲性腫瘤會形成一個更薄的基底膜。
來自上方的力量也有助於浸潤性腫瘤的逃脫。鱗狀細胞癌形成一層硬的分化的面板細胞，稱為角化珠。透過擠壓腫瘤頂部，角化珠幫助腫瘤衝破脆弱的基底膜，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徵的分化的面板細胞不會產生機械力。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知這些機械力的，以及它們如何將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，力和基因的關係是個關鍵問題。這不僅是面板癌的問題。他說：“力學中的深層問題其實是力與分子有什麼關係的問題。”
其他人也在研究這種關係。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為標題發表在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).
