一个国际科学家小组发现了一种新的细胞机制，解释了细胞如何通过将自身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斯克里普斯海洋研究所、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) 的研究人员领导了这项研究，这项研究的新颖之处在于使用海星胚胎作为模型生物。他们的研究结果于 5 月 7 日发表在《发展》杂志上。
实验室工作是在斯克里普斯海洋学研究所里昂实验室的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。这项研究因使用海洋胚胎(特别是海星Patiria miniata 的胚胎)来了解细胞如何应对其物理环境的变化而引人注目。
“我们的研究表明，细胞在压力下会呈现出一种不寻常的几何形状。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，”主要作者 Vanessa Barone 说道，她在斯克里普斯海洋研究所担任博士后研究员期间进行了这项研究。“这也是一个引人入胜的例子，说明研究海洋生物如何能够带来有关基础细胞生物学的广泛相关知识。”
作者表示，该研究结果可能对未来理解健康细胞如何适应不受控制生长的肿瘤细胞所施加的压力具有重要意义。
虽然之前曾描述过这种细胞不寻常的几何形状，即盾状体，但人们认为这种形状主要是由于细胞所嵌入的组织的形状而形成的。盾状体呈棱柱状，顶部有六个边，底部有五个边。之前的研究表明，当组织以某种方式弯曲时，比如管状或蛋形，一部分细胞会变成盾状体，因为在这种情况下，这是能量上有利的形状。
在新的研究中，研究人员结合了海星胚胎发育的活体成像、详细的图像分析和计算模型，表明细胞在其他更常见的情况下也会变成盾状体。
他们发现，在致密的上皮组织中发生细胞分裂后，这些细胞变成了盾状体。细胞是动物的组成部分。在胚胎发育过程中，这些细胞迅速分裂，数量增加。上皮细胞以其强大的互连性和覆盖身体表面的能力而著称。这些细胞形成层，形成保护屏障，将成年动物的外部表面与内部腔体隔开。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，从而导致组织致密化。因此，上皮细胞必须有效地自我组织，同时承受来自同样增殖的邻近细胞的压力。这项研究表明，上皮细胞很可能能够通过采用盾状形状来容纳新形成的细胞。
“通过观察海星的胚胎，我们发现了有关细胞生物学的重要新信息，这些信息可能与人类健康有关，”研究合著者、斯克里普斯海洋研究所海洋生物学家 Deirdre Lyons 说道。“这是第一项真正展示海星胚胎发育过程中上皮细胞堆积和细胞分裂的研究，并通过实时视频捕捉到这些过程。我们的发现对于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形成上皮层的理想样本。这是因为海星细胞经历了几轮同步细胞分裂，从而形成上皮层。此外，这些胚胎在海水中发育，它们相当透明，易于在高分辨率显微镜上成像。这些特性使科学家能够随着时间的推移跟踪每个单个细胞，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，我们能够动态研究其早期发育阶段，”这项研究的合著者、IBiS 研究员 Luis María Escudero 说。
斯克里普斯海洋研究所的研究人员在实验室中拍摄了实时图像，展示了正在进行的细胞过程。IBiS 团队随后使用 Escudero 团队最近发表的新型图像分析方法 CartoCell 进一步分析了这些图像。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，例如来自海星胚胎延时摄影的图像。
“我们观察到，细胞分裂后，细胞呈现盾状体形状的概率显著增加，”Escudero 说道。“因此，我们得出结论，增殖引起的细胞密度增加与形状变化有关。这种形状变化可能是因为细胞呈盾状体时更能承受压力。”
通过展示细胞如何在组织内响应压力而组织起来，这项研究可以为未来与癌症研究相关的应用打开大门。
现任斯坦福大学助理教授的巴罗内说道：“我们的研究有助于理解组织在受到压缩时发生的变化，无论是由于正常过程还是疾病相关的情况。”
除了 Barone、Escudero 和 Lyons 之外，研究团队还包括 IBiS 的共同第一作者 Antonio Tagua，以及 IBiS 的共同作者 Jesus Á. Andrés-San Román 和 Juan Garrido-García，以及 Scripps Oceanography 的 Amro Hamdoun。
该研究由人类前沿科学计划、国立卫生研究院和西班牙科学与创新部资助。