发育中的胚胎——如图中的斑马鱼——在成长过程中依靠物理作用力来塑造自己的形状。科学家正在研究机械力在人体中的作用——从胚胎到成年。
生命的最初,一个胚胎不分前后、头尾,就是一团简单的细胞。但很快,平滑的细胞团开始改变,液体聚集到细胞团中央,细胞像蜂蜜一样流动,占据它们在未来身体中的位置。细胞层像折纸一样折叠,构建出心脏、肠道和大脑。如果没有挤压、弯曲和拉拽力使发育中的动物成形,这一切都不会发生。即使成年以后,其细胞也会继续对彼此之间以及来自环境的推力和拉力做出响应。
几十年来,生物学家一直在集中研究基因和其他生物分子塑造身体的方式,这主要是因为这些信号的分析工具容易获得,而且一直在进步。相比之下,机械力受到的关注则少得多。在过去的20年中,越来越多的科学家开始关注力学在器官和生物体各个发育阶段的重要性。研究人员开始定义细胞感觉、响应和产生力的机制。他们通过发明定制的工具和开发一些技巧,结合激光和微量移液器、磁性颗粒和定制的显微镜来实现。
大多数研究人员都在使用培养皿中培养的细胞或组织来探测力学信号,仅有少数几个小组在研究整个动物,这些动物中往往会发现与分离出的组织表现不同的机制。
在胚胎成形之前,它必须打破平滑细胞团的对称性。在了解到基因和化学作用对这个过程的操控之后,科学家现在对力学有了更多的认识。例如,流体压力和细胞密度等物理特性是哺乳动物胚胎形成前、后、头、尾的关键。
Maître团队研究了构成最早期小鼠胚胎的最初细胞团如何形成一个巨大的、充满流体的腔体。随着这个腔体的填满,即将形成胎儿的细胞被推向一边。这是第一个打破对称性的事件,它确保胚胎能正确植入子宫壁,也决定了胚胎的哪边是背部、哪边是腹部。
一旦发育中的胚胎做好了安排,各个器官就会开始形成。
新加坡国立大学的发育生物学家Timothy Saunders说:“从根本上讲,我们对任何一个内脏器官的形成机制都不太了解。”(他指出,肠道是一个例外。)情况已经有所改变。例如,Saunders的小组用果蝇Drosophila的胚胎研究心脏的形成。一个关键事件是,两块组织聚到一起形成一个管,这个管最终会成为心脏。每块组织含有两种心肌细胞。
这些组织必须正确组合,就像拉拉链一样,镜像配对,才能得到健康的心脏。
发育成熟的动物在继续成长或应对疾病的过程中也必须与力抗衡。例如,当身体膨胀时,皮肤也会生长以覆盖它。外科医生在乳房重建术中利用了这一点,该手术需要更多的皮肤以覆盖植入物。首先,他们插入一个“气球”,并在几个月内注入盐水逐渐使之胀大,拉伸原有的皮肤,直至长出足够的新皮肤后再进行二次手术。但是,皮肤细胞是如何响应这种压力并增殖的呢?
干细胞生物学家Mariaceleste Aragona在比利时布鲁塞尔自由大学做博士后时,与Cédric Blanpain合作解决了这个问题。
组织的力学特性在异常细胞生长(如癌症)中也起了作用。Trepat说:“实体肿瘤比正常组织硬。”他说,部分原因是由于细胞周围过量存在一种被称为细胞外基质的纤维网状物,也因为癌细胞本身正在增殖。
Trepat解释道,“硬度会增加癌细胞的恶性”,如果科学家能够理解其中原因,他们就有可能设计出改变这些物理特性并降低癌症危险性的疗法。在一项相关研究中,洛克菲勒大学的研究人员已确认机械力可以解释为什么有些皮肤癌是良性的而有些是恶性的。