三维组织形成的基本机制

如果你想建造一个器官，比如移植，你需要用3D来思考。

利用干细胞，科学家已经能够在实验室中培养出一部分器官，但这还远远不能构建出一个实际的、完全成形的、有功能的三维器官。

对于再生医学和发育生物学的学生来说，这是理解细胞如何弯曲和移动以形成器官和身体组织的原因。

现在，来自京都大学前沿生命和医学科学研究所的一个团队对经历机械应变的细胞如何形成眼球的球形结构有了新的理解。

发表在《科学进展》上，该团队发现，通过感知整个组织变形产生的机械力，单个细胞共同形成了一个原始的杯状结构——一个“视觉杯”。

“过去，我们通过培养胚胎干细胞成功制造了视杯。为了形成一个球体，该组织需要先从原始脑组织中伸出，然后向内凹陷，”第一作者仓知奥田解释道。

"但是还不清楚单个细胞是如何感知和调节自己形成这种形状的."

该团队开发了一种计算模拟，可以计算三维组织结构的形成。利用这些知识和过去的实验数据，他们构建了一个虚拟的前驱眼睛，并能够预测驱动球形细胞的物理现象。

他们的发现表明，在视杯的形成过程中，出现了一种细胞分化模式——将细胞推入视杯——这导致一些细胞自发折叠成组织。这种由“自弯曲”引起的力传播到边界区域，在那里其他细胞感觉到应变。

“组织变形和光学杯边界应变的结合产生了进一步推动弯曲细胞的铰链，”奥田继续说道，“导致了杯状结构。”

"下一步是用实际的胚胎干细胞来验证这一预测."

使用培养的小鼠ES细胞，研究小组在特定的点上施加机械应变，并高兴地发现了他们在模拟中预测的钙反应，机械反馈和细胞形状变化。

这些发现揭示了机械力在塑造器官中的新作用，这对于复杂组织的形成至关重要，即使在培养皿中也是如此。该团队将继续调查这些力量，并寻求继续推进再生医学领域。

“尽管我们的研究表明了在体外控制器官形状的可能性——使用基于预测的适当机械刺激——但目前的技术仍然有限，”首席科学家Mototsugu Eiraku总结道。

“我们希望提高模拟的预测精度，并在未来重建更复杂的组织和器官。”

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