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研究人员发现细胞去除是由机械不稳定性引起的

导读人体器官的外部或内部边界衬有所谓的上皮层。这些是上皮细胞层,它们可以独立地改变它们的3D形状——这发生在生物过程中,例如器官发育(形

人体器官的外部或内部边界衬有所谓的上皮层。这些是上皮细胞层,它们可以独立地改变它们的3D形状——这发生在生物过程中,例如器官发育(形态发生)、生理平衡(稳态)或癌症形成(致癌作用)。特别令人感兴趣的是细胞挤出的过程,其中单个细胞失去其“顶部”或“底部”表面,然后被推出该层。从力学的角度对这一现象缺乏透彻的理解,但现在金泽大学的仓知奥田和藤本光一发现,纯粹的力学原因是细胞挤压的原因。

机械上,简单的(单层)上皮片类似于泡沫,可以表示为相互连接的多面体层。Okuda和Fujimoto用这个泡沫模型来描述单层上皮细胞,每个细胞是一个平均体积为v的多面体,每个细胞的特征还在于相邻细胞的数量n、顶面的面积(“顶面”)和底面的面积(“底面”)。该模型考虑了相邻细胞间的机械力,得到了上皮细胞总机械能的公式。公式只是几个参数的函数,包括V和N,以及平面密度和一个叫做锐度的量,可以区分是否有底面和/或顶面。(消失的顶面意味着基部被挤压,反之亦然。)通过研究改变这些参数的能量变化,研究人员可以获得关于上皮板力学的有价值的见解。

Uda和Fujimoto的关键发现是系统表现出固有的机械不稳定性:细胞拓扑或细胞密度的微小变化会导致细胞在没有额外力的情况下被挤出。此外,已经证明经受挤压的单元在层中产生力,该力可以将其他单元的挤压引导到层的任一侧。

科学家还发现,该模型的结果与在生物系统中观察到的结果有许多相似之处,例如不同的上皮几何形状(如“玫瑰红”或伪层状结构)。

当然,这种模式也有局限性。例如,假设整个工作表和单个单元格的表面是平的,而不是弯曲的。然而,引用研究人员的话来说,“尽管有其局限性,但该模型为理解形态发生、稳态和致癌的上皮生理学提供了指导”。

[背景]

上皮细胞

上皮组织是四种人体(或动物)组织之一,位于人体器官和血管的外表面,以及各种内脏器官“空腔”的内表面。一个典型的例子是称为表皮的皮肤外层。上皮由上皮细胞组成;它可以只是一层上皮细胞(简单上皮)或两层或多层(层状或分层上皮)。金泽大学的仓知奥田和藤本光一现在已经将简单上皮建模为多面体排列,以研究其机械特性,特别是上皮细胞挤压的过程。

细胞挤压

在上皮组织中,发生了细胞挤压的过程——上皮细胞被“推出”上皮。细胞挤压是一个重要的生物学过程,它调节例如凋亡(死亡)细胞的去除、组织生长和对癌症的反应。大久田和藤本从机械的角度观察了简单的上皮细胞。他们将上皮建模为相互连接的多面体层,发现细胞挤压(即多面体的顶面或底面收缩到一个点,然后消失)可以被视为一种纯粹的机械特性。由于密度或拓扑结构的微小变化,均质片材固有的不稳定性可能导致细胞被挤出。

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