上皮组织力学特性：极性、细胞连接与应力响应的奥秘

本文通过构建两种组织模型，揭示上皮细胞极性界面在消散机械能方面的作用机制。

　　

上皮组织力学研究背景

上皮组织作为机体的重要组成部分，如同一张张薄而柔韧的 “防护网”，构建起物理和化学屏障，在控制体内外环境的物质交换中发挥着关键作用。这一功能的实现，与上皮组织卓越的机械弹性密切相关。例如，在呼吸过程中，肺上皮组织需承受巨大且短暂的变形；而尿道上皮则要长期抵御因压力梯度产生的外部变形。这些组织之所以能在复杂的力学环境中稳定运作，得益于细胞间通过多种连接方式，如桥粒（desmosomes）、黏着连接（adherens junctions）和紧密连接（tight junctions），将应力均匀地分散到整个组织。

在细胞层面，顶 - 基底极性（apical-basal polarity）不仅是细胞执行多样功能的基础，还对细胞间黏附分子的定位起着关键作用。然而，尽管已知基底和顶膜的分子组织存在显著差异，但对于它们在力学性能上的差异，科学界仍知之甚少。传统细胞培养条件使得研究人员更易对顶皮层的力学特性进行探究，而基底侧的数据却极为匮乏。

为深入了解上皮组织在力学方面的奥秘，研究人员构建了两种极具价值的组织模型 —— 囊肿（cysts）和半囊肿（hemicysts）。这些模型不仅具有与天然组织相似的结构，还能有效模拟体内的力学环境，为研究上皮细胞在压力下的力学响应提供了理想的平台。

实验模型构建与观察

研究人员巧妙地利用 MDCK-II 细胞的自组织特性，成功构建了囊肿和半囊肿模型。半囊肿保留了传统的顶 - 基底极性，其顶端朝向培养基，基底则朝向管腔；而囊肿的极性则恰好相反，顶端面向管腔，基底侧膜 / 皮层朝向细胞外基质。

通过共聚焦荧光显微镜和扫描离子电导显微镜（SICM）等先进技术，研究人员对这些模型的结构和形貌进行了细致入微的观察。结果发现，半囊肿中的细胞相较于相邻单层细胞更薄，其顶端区域明显扩张，这表明细胞通过牺牲多余的表面积来缓解 Laplace 压力。而囊肿则呈现出均匀的环形结构，厚度一致，细胞间接触紧密。这些结构差异为后续探究不同模型的力学特性奠定了基础。

组织层面的粘弹性研究

为了深入探究组织在平面区域扩张时的力学响应以及顶 - 基底极性对这一过程的影响，研究人员采用胶体压头对球形上皮结构进行平面拉伸实验。在实验中，他们使用特定尺寸的胶体探针，确保能够将多细胞结构近似视为连续体进行研究。

实验数据显示，囊肿在受到相同最大力作用时，表现出比半囊肿更高的刚度，且在压痕后有明显的力松弛现象，这表明组织在受力过程中存在能量耗散。为了更精确地量化这些粘弹性特性，研究人员引入了基于张力的模型。该模型假设弯曲的上皮在外部变形时，其各向同性组织张力（T）与相对面积扩张（?=Av?ΔA?）呈线性关系，即T=T0?+TA??。其中，T0?代表（半）囊肿的预应力，反映了组织在变形前由于有限 Laplace 压力和主动收缩而存在的张力；TA?表示面积压缩模量，与壳的体积杨氏模量（Y）相关，Y=TA?h（h为细胞层厚度）。

通过对实验数据的拟合分析，研究人员得到了三个关键参数：预应力T0?、面积压缩模量（缩放因子）T0A?和流动性β。结果表明，囊肿的平均预应力显著高于半囊肿，这与它们较大的曲率和更高的 Laplace 压力密切相关。同时，半囊肿的流动性比囊肿更高，这意味着半囊肿在受到应力时能够更有效地耗散能量。这些发现揭示了不同极性组织在力学响应上的显著差异。

单细胞层面的粘弹性研究

在较小的长度尺度上，研究人员进一步探究了单细胞对机械变形的贡献。他们运用常规的纳米级原子力显微镜探针，对上皮细胞进行中心压痕实验，并将压痕 - 松弛曲线拟合到一个新开发的粘弹性张力模型中，从而获取细胞的皮质张力、皮层的面积压缩模量和流动性等关键参数。

实验结果显示，半囊肿细胞的顶端和囊肿细胞的基底侧表现出相似的皮质预应力，但均比在常规培养皿上生长的汇合 MDCK-II 细胞高出约一个数量级。在面积压缩模量方面，半囊肿细胞明显小于囊肿细胞，而汇合单层细胞的面积压缩模量最低。此外，半囊肿细胞的流动性显著高于囊肿细胞，这表明半囊肿细胞在力学响应中更加柔软和易变形。这些结果表明，细胞的极性与它们的内在柔软性和流动性密切相关，基底侧膜 / 皮层相较于顶端更硬且更少耗散能量。

皮层结构和细胞收缩性对囊肿力学的影响

先前研究表明，上皮单层的应力松弛受单个细胞内肌动球蛋白皮层（actomyosin cortex）的调控。为了验证这一结论在囊肿模型中的适用性，研究人员通过药物处理来改变细胞的收缩性、刚度或网络耗散能量的能力。

实验中，使用 blebbistatin 抑制肌球蛋白马达或用 Rock 抑制剂 Y27362 作用于下游通路，均导致囊肿组织张力降低，同时流动性增加，壳的刚度下降超过一个数量级。当使用 latrunculin A（Lat A）破坏皮层结构时，也出现了类似的趋势；而 Rho 激活剂 CN03 则使囊肿组织张力保持稳定，但刚度增加，组织变得更加坚硬。有趣的是，calyculin A（CalyA）虽能增加细胞的皮质张力，但在本研究中对细胞流变学没有显著影响，这可能是由于囊肿细胞极性导致其主要作用于基底侧，而基底侧的收缩性相对较弱。

这些实验结果表明，囊肿的松弛行为与单个细胞相似，收缩性皮层的重塑在决定组织的粘弹性特性方面起着至关重要的作用，尤其是在秒级时间尺度上，对组织的预应力T0?产生重要影响。

细胞 - 细胞连接的作用

细胞 - 细胞连接在赋予组织抗断裂能力方面发挥着不可或缺的作用。为了探究其对组织力学的影响，研究人员利用 E-cadherin 1 基因敲除的 MDCK-II 细胞（Cdh1-KO）来破坏黏着连接，并使用 EDTA 广泛削弱依赖钙离子的非共价键连接。

实验数据显示，在所有类型的囊肿中，预应力T0?在细胞 - 细胞连接受损后基本保持不变，这表明组织的完整性得以维持。在刚度和流动性方面，Cdh1-KO 囊肿中去除 E-cadherin 仅对其产生轻微影响，而 EDTA 处理则导致囊肿的刚度显著降低，流动性增加。这一现象可以用面积压缩模量与细胞间键数的非线性依赖关系来解释。少量剩余键仍能为组织提供足够的稳定性，维持其完整性，但当大量键丢失时，组织就会软化甚至断裂。

这一发现揭示了细胞 - 细胞连接在维持组织力学性能中的关键作用，以及其在组织对拉伸和断裂的抵抗中所扮演的重要角色。

研究结论与展望

本研究通过构建囊肿和半囊肿模型，从组织和单细胞层面深入探究了上皮组织对外部变形的力学响应。研究发现，上皮组织的整体顺应性和力松弛取决于细胞的基底侧和顶皮层、细胞间连接以及多余表面积的存在。

在应对压力变化时，柔软且富含多余面积的顶端能够迅速适应，通过牺牲多余面积来分散力，从而有效减轻应力对细胞间连接的影响；而较硬的基底侧则主要负责弹性响应，使组织能够在压力释放后恢复原状。细胞 - 细胞连接则像坚固的 “桥梁”，为组织提供了必要的韧性，其在组织的力学性能中起着关键作用，少量连接的损失不会显著影响组织的整体力学性能，但大量连接的破坏会导致组织软化和断裂。

这些研究成果对于深入理解上皮组织在体内的力学行为具有重要意义，尤其是在肾脏小管等器官中，为解释其在压力变化下的功能提供了理论依据。未来的研究可以进一步拓展到其他上皮组织和生理病理条件下，探索这些力学特性的变化及其对组织功能和疾病发展的影响，为相关疾病的治疗和组织工程的发展提供新的思路和方向。