哈佛大學Nat. Mater.：基質粘彈性控制組織形態

一、【導讀】

組織在空間和時間上的模式化與許多生物過程有關，這由細胞數量、大小、形狀和位置的變化驅動，導致對稱性破壞的不穩定性，如屈曲、折疊、撕裂、出芽、用指狀伸展或分枝。在分子水平上，組織的形態控制是由內在的基因表達和各種環境化學和機械線索所調節。雖然化學形態發生梯度在發育中的重要性早已得到重視，但越來越清楚的是，組織和周圍3D細胞外基質（ECM）中的機械線索也調節著組織的組織和形態發生。硬度在組織組織中的作用已被廣泛研究。然而，盡管ECM的時間變化的粘彈性能越來越被認為是形態發生中的一個重要角色，但基質的粘性與彈性在組織反應中的作用還不清楚。

二、【成果掠影】

近日，哈佛大學L. Mahadevan教授與David J. Mooney院士聯合證明，包裹乳腺上皮細胞球狀組織的基質的被動粘彈性能在空間和時間上引導組織增殖。基質的粘彈性促使球狀體的對稱性破壞，導致入侵的指狀突起的形成，YAP核轉位和上皮到間質的轉變，在體外和體內都是以Arp2/3復合物依賴的方式進行。通過對這些觀察結果進行計算建模，研究人員建立了一個與基質粘彈性、組織粘度、細胞運動性和細胞分裂率有關的形態穩定性相圖，該相圖通過生化檢測和腸道類器官體外實驗得到驗證。總的來說，這項工作強調了應力松弛機制在組織生長動態中的作用，這是形態發生和腫瘤發生的一個基本過程。該論文以題為“Matrix viscoelasticity controls spatiotemporal tissue organization”發表在知名期刊Nature Materials上。

三、【核心創新點】

研究包裹著乳腺上皮細胞球狀組織的基質的粘彈性能在空間和時間上對細胞組織增殖影響；明確了基質的粘彈性在兩個常用的體外發育和病理組織生長模型中調節組織形態的作用；提出了一個相圖為再生醫學中的組織形態學提供指導。

四、【數據概覽】

圖一、基質粘彈性調節上皮組織的結構 ? 2022 Springer Nature

（a）同時改變聚合物的分子量和交聯程度改變粘彈性能的示意圖。

（b）所得藻酸鹽水凝膠儲能模量的量化。

（c）初始施加的應力松弛到其原始值的一半時的時間尺度的量化。

（d）MCF10A球體在彈性與粘彈性水凝膠中生長5天的實例。

（e-f）球體面積和圓形度的量化。

（g）在彈性和粘彈性凝膠中生長的MCF10A細胞球體中磷酸化FAK局部粘連的實例。

（h）在彈性凝膠和粘彈性凝膠中，蝴蝶蘭素（青色）、Hoechst（品紅色）（上排）和YAP（下排）染色球體的代表性實例。

（i）根據所示區域的每幅圖像的細胞核YAP細胞百分比的染色進行定量。

圖二、基質粘彈性促進EMT和腫瘤生長 ? 2022 Springer Nature

（a）在粘彈性和彈性水凝膠中生長的球體，波形蛋白（青色）和phalloidin（品紅色）染色的實例。

（b）彈性水凝膠中球體外環和粘彈性水凝膠中的球體指狀物中平均波形蛋白強度的量化。

（c）在粘彈性和彈性水凝膠中，蝴蝶蘭素、Hoechst（左）和細胞角蛋白14（右）染色呈球狀。

（d）球體外環平均細胞角蛋白14強度的量化。

（e-g）彈性和粘彈性基質中球體中Snail、Slug或Zeb1陽性細胞百分比的量化。

（h）注射含有MDA-MB-231乳腺上皮細胞的粘彈性和彈性水凝膠的小鼠腫瘤體積的變化。

（i）MDA-MB-231在彈性和粘彈性水凝膠中的phalloidin和Hoechst染色的代表性實例。

（j）植入7天后，裸鼠體內的粘彈性和彈性水凝膠中MCF10A球體的蝴蝶蘭素和Hoechst（左）、線粒體（中）和波形蛋白（右）染色的代表性實例。

（k）植入7天后，彈性和粘彈性基質球體中Slug陽性細胞百分比的量化。

圖三、球體-材料的物理相互作用的理論模型預測 ? 2022 Springer Nature

（a）組織在被動粘彈性基質中生長的理論物理模型。

（b）彈性基質與粘彈性基質中模擬組織生長的示例。

（c-d）對標準化時間內球體投影面積和圓形度的模擬進行量化。

（e）抑制細胞運動的模型預測。

（f）代表性的實例和5天后在有/無細胞粘附配體RGD的水凝膠中球體面積的量化。

（g）用于影響細胞運動的抑制劑的示意圖。

（h）在抑制劑存在的條件下，5天后球體面積的量化。

（i）組織生長抑制模型預測。

（j）不使用或使用胸苷來抑制細胞增殖，代表性的實例和球體面積的量化。

（k）彈性凝膠和粘彈性凝膠中球體中增殖細胞數量和分布的模型預測和實驗結果。

（l）生長中的組織打破對稱性并在粘彈性基質中表現出指狀結構的能力取決于整合素粘附、FAK磷酸化、Rac1活性和Arp2/3。

圖四、生長和分支的調節 ? 2022 Springer Nature

（a）組織的主動運動性與基質硬度的關系。

（b-d）在越來越硬的彈性和粘彈性凝膠中，球體的3D最終時間點模擬圖像、投影面積和圓形度隨歸一化時間的演變。

（e）通過進一步改變彈性和粘彈性凝膠的交聯程度來改變實驗基質的硬度。

（f）代表性的實例和5天后球體面積的量化，在彈性和粘彈性基質中的硬度增加。

（g）彈性和粘彈性基質的硬度增加，5天后球體圓形度的量化。

（h）與軟粘彈性基質相比，在剛性粘彈性基質中消除細胞運動時的代表性模型模擬結果。

（i）代表性的實例和在軟/硬粘彈性基質中使用Rac1和Arp2/3抑制劑5天后球體面積的量化。

（j）彈性凝膠和粘彈性凝膠在硬度增加的球體中細胞增殖的模型預測。

（k）代表性的實例和在彈性和粘彈性凝膠中硬度增加的5天后球狀體中EdU陽性細胞的百分比的量化。

圖五、相位圖 ? 2022 Springer Nature

模擬預測和實驗證實，組織生長的穩定性和不穩定性區域可以基于三個無量綱變量的值來預測。

圖六、ECM的粘彈性驅動腸道類器官的形態變化 ? 2022 Springer Nature

（a）藻酸鹽和基質膠IPNs在類器官研究中的應用示意圖。

（b）彈性和粘彈性藻酸鹽-基質凝膠IPNs的儲存模量。

（c）彈性和粘性水凝膠中的腸道器官在培養7天后的phalloidin和Hoechst染色的代表實例。

（d-e）彈性和粘彈性基質中7天內類器官面積和圓形度的量化。

（f）7天后腸道器官在硬的粘彈性凝膠中，Lgr5+、phalloidin和Hoechst染色的實例。

（g）7天后在硬粘彈性凝膠中對腸道類器官進行溶菌酶、phalloidin和Hoechst染色的實例。

（h）相位對比和Lgr5+GFP圖像的代表實例，以及軟/硬粘彈性和彈性基質中GFP陽性的Lgr5+腸道器官的量化。

（i）對每個條件下的菌落形成的百分比進行量化。

（j）7天后軟/硬彈性和粘性基質中的腸道組織細胞的phalloidin和Hoechst染色實例。

（k）軟/硬彈性和粘彈性基質中類器官面積的量化。

（l）EdU和Hoechst染色的實例以及軟、硬彈性和粘彈性基質中的腸道器官的EdU陽性細胞的百分比。

五、【成果啟示】

實驗和模擬表明，粘彈性細胞外基質的被動特性可以調節組織形態。由此產生的形態讓人聯想到被動驅動的物理系統中的界面不穩定性。但在生命系統中細胞運動和增殖的活躍過程從根本上改變了界面的不穩定性，這會破壞界面的穩定，并與許多過程相關，包括胚胎發生、腫瘤發生、分支形態發生和血管生成。進一步研究結果表明，間質的ECM流動性增加驅動正常的胚胎氣道分支，而組織流動性增加驅動傷口愈合、組織伸長或神經嵴發育。研究結果還表明，當腫瘤遷移、生長并推動基質時，這可能會導致健康組織中基質指狀物的被動生成，因為基質比健康組織具有更多的液體特性。此外，本研究強調了粘彈性和硬度在組織生長過程中的協同作用，但又有所不同。在這些研究中使用的所有粘彈性凝膠中都觀察到了組織的生長和不穩定，這些凝膠的硬度影響了這些行為的程度。然而，在純彈性凝膠中，改變硬度的影響很小，因為組織的生長仍然緩慢和穩定。最后，除了提供一個框架來理解正常和病理狀態下的組織形態和組織，研究人員還提出了一個相圖為再生醫學中的組織形態學提供指導。

文獻鏈接：Matrix viscoelasticity controls spatiotemporal tissue organization (Nat. Mater. 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01400-4)