奇怪的scutoid几何形状：解析细胞如何适应组织生长过程中的压力变化而成scutoid状

一个国际科学家团队发现了一种新的细胞机制，解释了细胞如何通过将自己包装成独特的形状来适应组织生长过程中的压力变化。

　　

加州大学圣地亚哥分校Scripps海洋学研究所、斯坦福大学霍普金斯海洋站和西班牙塞维利亚生物医学研究所(IBiS)的研究人员领导了一项使用海星胚胎作为模式生物的研究，发现了一种新的细胞机制，解释了细胞如何通过将自己包装成独特的形状来适应组织生长过程中的压力变化。研究结果发表在5月7日的《Development》杂志上。实验室工作是在里昂实验室的Scripps海洋生物技术和生物医学中心(CMBB)进行的，该中心致力于利用海洋无脊椎动物推进进化发育生物学领域。这项研究之所以引人注目，是因为它使用了海洋胚胎——特别是海星的胚胎——来了解细胞如何应对物理环境的变化。

组织形态发生与单个细胞的形状和组织变化密切相关。在弯曲上皮中，细胞可以沿其自身的顶基轴嵌入，形成一种称为“scutoid”的形状，使组织中的能量最小化。尽管一些几何和生物物理因素与这种三维重组有关，但三维上皮填塞中菱形形成的动态变化仍然知之甚少。作者使用海星胚胎的实时成像和基于深度学习的分割来解剖细胞密度、组织压实和细胞增殖对上皮结构的相对贡献。他们发现，组织压实，自然发生在胚胎，是必要的外观的scu仿。物理压缩实验确定细胞密度是在全球水平上促进鳞片形成的因素。最后，将发育中的胚胎与计算模型进行比较，表明椭球体比例的增加与细胞分裂直接相关。研究结果表明，在有丝分裂后立即出现的顶基嵌层可能有助于在组织内容纳新细胞。致密上皮的增殖在发育过程中诱导三维细胞重排。

“我们的研究表明，细胞在压力下呈现出不同寻常的几何形状。它揭示了细胞如何应对物理环境的变化，这些变化在每个组织中都是动态发生的，”首席作者瓦妮莎·巴隆说，她在斯克里普斯海洋学的博士后研究员期间进行了这项工作。“这也是一个迷人的例子，说明研究海洋生物如何能带来基础细胞生物学的广泛相关知识。”

作者说，这些结果可能对了解健康细胞如何适应肿瘤细胞不受控制地生长所施加的压力具有未来的意义。

虽然以前曾描述过这些细胞不寻常的几何形状——scutoid，但它被认为主要是由于细胞所嵌入的组织的形状造成的。Scutoids有一个棱镜状的形状，上面有六个面，下面有五个面。先前的研究表明，当组织以某种方式弯曲时，比如成管状或卵形，一部分细胞会变成仿形，因为在这种情况下，仿形是能量上有利的形状。

在这项新研究中，研究人员将海星胚胎发育的实时成像、详细的图像分析和计算模型相结合，表明在其他更常见的情况下，细胞也会变成scutoids。

他们发现，在致密上皮组织中发生细胞分裂后，细胞变成了仿形体。细胞是动物的基本组成部分。在胚胎发育期间，这些细胞迅速分裂，数量增加。上皮细胞通过其强大的相互联系和覆盖身体表面的能力来区分自己。这些细胞形成一层保护性屏障，将成年动物的外表面与内腔分开。此外，上皮组织形成腺体，是许多器官(如肝脏或肾脏)的主要组织。

随着这些细胞数量的增加，它们通常需要适应有限的空间，从而导致组织压实。因此，上皮细胞必须有效地组织自己，同时承受来自邻近细胞的压力，这些细胞也在增殖。本研究表明，上皮细胞很可能通过呈菱形来容纳新形成的细胞。

“通过观察海星的胚胎，我们发现了关于细胞生物学的重要新信息，这些信息与人类健康有潜在的联系，”该研究的合著者、斯克里普斯海洋学的海洋生物学家迪尔德丽·莱昂斯说。“这是第一次真正展示海星胚胎发育过程中上皮细胞包装和细胞分裂的研究，并通过实时电影拍摄。我们的发现对理解这些组织的细胞结构具有广泛的意义。”

海星胚胎是了解细胞在增殖过程中如何组织成上皮的理想材料。这是因为海星细胞经历了几轮同步细胞分裂，导致上皮的形成。此外，这些胚胎在海水中发育，它们相当透明，很容易在高分辨率显微镜上成像。这些特性使科学家们能够长期跟踪每个细胞，同时观察整个上皮组织的形成过程。

“细胞生长和组织之间的适当协调是一个非常复杂的过程。通过使用海星胚胎作为模型，我们已经能够动态地研究它的早期发育阶段，”路易斯María Escudero说，他是该研究的合著者之一，也是IBiS的研究员。

斯克里普斯海洋学的研究人员在实验室里捕捉到了这些正在进行的细胞过程的实时图像。IBiS团队随后使用了CartoCell——Escudero团队最近发布的一种新颖的图像分析方法——来进一步分析这些图像。CartoCell是一种基于深度学习的软件工具，可以快速自动处理三维图像，比如来自海星胚胎的图像。

埃斯库德罗说:“我们观察到，在细胞分裂后，细胞采用椭球形的可能性立即显著增加。”“因此，我们得出结论，细胞增殖引起的细胞密度增加与形状的变化有关。这种形状上的变化可能是因为当细胞是scu仿形时，它们能更好地承受压力。”

通过展示细胞如何在组织内组织以应对压力，这项研究可能为未来与癌症研究相关的应用打开大门。

现在是斯坦福大学助理教授的Barone说:“我们的研究可以帮助理解组织被压缩时发生的变化，无论是由于正常的过程还是与疾病相关的情况。”