上海交大野雅己课题组通过整数拓扑缺陷为活性细胞层的量化和分类提供新方法

　　

近日，上海交通大学自然科学研究院与物理与天文学院的佐野雅己教授课题组在Nature Communications上发表了题为“Integer Topological Defects Offer a Methodology to Quantify and Classify Active Cell Monolayers”的研究论文。该工作中，研究人员发现了整数拓扑缺陷对神经祖细胞的吸引现象，并通过实验和理论相结合的方法成功的解释了实验现象，为活性细胞层的量化和分类提供了一种新的方法。

头发上的旋涡呈现出沿着周围头发方向的旋转模式，无法通过梳理去除。这种结构被称为拓扑缺陷。拓扑缺陷在生物学环境中可以发挥关键作用，包括细胞内骨架动力学、胚胎发育期间的组织生长以及细菌菌落中的群体水平扩张。半整数拓扑缺陷出现在由细胞融合形成的二维组织（活性向列）中，提供了细胞聚集、挤出、形成三维结构的位点。整数电荷拓扑缺陷也提供了生物发育的位点，例如水螅的头部和足部再生、植物组织生长等。星状体，漩涡（螺旋）和同心圆是在自然界中广泛发现的整数拓扑缺陷。

然而，由于整数拓扑缺陷的形成需要消耗更多的弹性自由能，使其比半整数拓扑缺陷更难以产生。因此，在实验上，对于拓扑缺陷附近细胞的大规模集体动力学研究仍然较为有限。为克服这一挑战，佐野雅己课题组基于拓扑缺陷的定义，采用光刻技术制备了多种整数缺陷微图案（包括星状体、螺旋和同心圆）。通过在这些微图案上培养神经祖细胞，研究人员成功在细胞单层内稳定诱导出多种整数拓扑缺陷，从而使得针对细胞在不同缺陷附近的可重复的集体动力学研究成为可能。

a, 包含四种拓扑缺陷微图案的细胞培养基质。b, 微图案根据整数拓扑缺陷定义制造。c, 设计的微图案包括星状体、螺旋和同心圆等。d, 细胞沿刻排列并且能够跨过刻线。e, 细胞在不同缺陷中心都发生聚集。

研究人员发现，细胞会聚集在各种拓扑缺陷的中心，并表现出整体向缺陷核流动的趋势。然而，这一现象无法用传统的收缩或伸展二分理论加以解释。 先前的理论预测，在伸展系统中，细胞会聚集于星状体和弱弯曲螺旋的中心，而在同心圆和紧密弯曲螺旋中则趋于逃逸 （收缩系统相反）。 通过开展粒子模型与连续理论模拟，研究人员发现了两个通常被忽视的反对称活性力。引入这两种反对称活性力后，他们成功解释并预测了实验现象，为理解细胞在拓扑缺陷附近的动力学行为提供了新的理论框架。

神经祖细胞在螺旋型（左）和同心圆型（中）拓扑缺陷上展现出集体的向里的速度流场。右：简单二分理论无法预测实验数据，反之，引入新的反对称活性力后，理论预测与实验数据十分匹配。

基于实验方法和理论的普适性，反对称活性力很可能在生物组织中普遍存在。反对称力进一步将活性向列系统的收缩/扩展二分法扩展为四种不同的分类和新的相图。这种实验方法和分类可以作为一种通用工具，根据各种细胞在拓扑缺陷处的行为，不同的细胞将被划分在不同的区域，从而加深研究人员对细胞之间的相互作用的理解。

上海交通大学博士生赵子惠为论文第一作者，上海交通大学佐野雅己教授为通讯作者，上海交通大学张何朋教授在实验方面提供了指导。本研究得到了国家自然科学基金的资助。

作者：

自然科学研究院

供稿单位：

自然科学研究院