小鼠胚胎最初是一个相对简单的细胞球
胚胎发育就像一场精心制作的舞台表演，其中精心编排的基因表达程序组织了大部分动作。但张力等物理力量和弹性等机械特性的变化也发挥了作用，协调了这一过程的空间和时间足迹。
巴黎居里研究所的机械生物学家Jean-Léon Maître说:“在基因表达之前，机械特性实际上与第一个细胞系的形成有关。”受精后，随后的细胞分裂产生广泛的重排和变形。由此产生的挤压、拉伸、推和拉影响着哪些细胞形成不同的胚胎特征，并最终指导身体中每个组织的模式和发育。“你首先有这种机制上的差异，然后转化为位置上的差异，然后转化为命运，Jean-Léon Maître,说。
因此，测量这些特性以及它们如何随时间变化对于理解胚胎发育至关重要。但做出这样的观察并不容易。许多生物物理和机械生物学技术最适合于培养细胞的人工系统。有前途的技术正在出现在体内研究中，但这些需要进一步的测试来证明它们的准确性和定量能力。机械生物学家艾米·谢耶(Amy Shyer)与发育生物学家艾伦·罗德里格斯(Alan Rodrigues)共同管理纽约市洛克菲勒大学(Rockefeller University)的一个实验室，她说:“所有这些仍然相对困难。”“没有现成的工具包。”活胚胎的挑战只会增加，因为活胚胎的目标是在不破坏发育的情况下测量物理和机械现象。
但是，人们对机械生物学的兴趣稳步上升，这带来了一些技术，为建立一个更全面的发育生物学观点提供了令人兴奋的机会。德国德累斯顿工业大学的生物物理学家Otger Campàs说:“我们正处在这个领域腾飞的时刻。”
活组织中的细胞有多种杠杆，它们可以利用这些杠杆来重组自己，并对它们的邻居产生物理影响。细胞骨架是一个蛋白质网络，它帮助定义细胞的形状和组织。通过重新排列内部结构，细胞可以推拉，甚至可以在彼此之间移动，并改变自身的机械特性，在柔软和流体之间转换，或者在坚硬和粘性之间转换。
在压力下
此外，细胞分裂可能导致拥挤，并造成胚胎表面张力的变化，这在发育早期尤为重要。巴黎法兰西学院的生物物理学家herveverturlier说:“为了将这些细胞放置在特定的位置，你需要实际控制它们分裂的方式。”他指出，早期胚胎开始时是一个看似均匀的细胞球;细胞分裂的方向性有助于破坏这种对称性，并建立决定生物体前、后、上、下的轴。例如，2016年的一项研究表明，与某些早期细胞分裂事件相关的内向力有助于将形成小鼠胚胎的细胞与产生卵黄囊等胚胎外组织的细胞分离开来。
选择哪种方法来研究这些过程，部分取决于所研究的实验模型。哺乳动物的胚胎，如老鼠，可能具有挑战性，因为它们通常不能在母体体外维持超过子宫着床阶段，大约在受精后四天。此外，每个细胞分裂事件都要持续数小时，需要长期的实验。像秀丽隐杆线虫这样的模式生物提供了一个更简单的选择。但由于它们的发育速度极快，细胞分裂周期以分钟而不是小时为间隔，一些方法很难跟上。这种疯狂的速度也引入了摩擦力，而这种摩擦力在较慢的胚胎分裂中是不存在的，matre说，这使得对生物体的机械特性进行建模变得具有挑战性。
好消息是，克洛斯特纽堡奥地利科学技术研究所的发育生物学家卡尔-菲利普·海森堡(Carl-Philipp Heisenberg)说，许多基本机制在物种之间是保守的，至少在早期发育中是如此。他说:“你所看到的一般原理——细胞是如何相互作用的，机械力是如何产生、传递和感知的——在不同的生物体中被一次又一次地使用。”
完整的联系
某些机械生物学工具也被一次又一次地使用，其中有两种工具已经流行了几十年。
原子力显微镜(AFM)是20世纪80年代发展起来的一种以原子尺度精度探测材料表面纹理和刚度的方法。AFM使用一个微小的悬臂式探针，就像一个跳水板，它被拖过样品表面并用激光照射。反射光的变化可以用来计算组织的刚度和弹性，以及两个细胞附着的力。
另一种方法是微管抽吸，这种方法可以追溯到20世纪50年代，当时它被用于研究海胆胚胎。研究人员将一个极细的玻璃移液管的尖端放在细胞表面，然后用泵将部分膜吸进移液管，以测试膜的表面张力和细胞粘度，或者将空气推向它以施加可控的力。利用多个移液管，研究人员可以与相邻的细胞进行“拔河”，以确定它们的耦合程度。新加坡国立大学的机械生物学家Chii Jou Chan说，结果是力的绝对量度，而不是相对量度。
Maître使用微移液管吸吸来绘制胚胎的表面张力
Maître的实验室已经使用微移液管抽吸广泛绘制了小鼠发育早期的表面张力图，当时胚胎仍然是相对简单的细胞球。在5月份发表的一项研究中，他和他的同事们将这项技术应用于研究人类胚胎的压实——早期胚胎在细胞之间建立更紧密耦合的过程。研究人员确定了可以为生殖技术(如体外受精)选择可行胚胎提供信息的机械特性。
相比之下，原子力显微镜在活胚胎中的应用有限。“你需要一些平坦的东西，”谢耶解释说。但是，当将这项技术应用于从发育中的胚胎中取出的组织并在培养中进行研究时，它可以提供重要的见解。在2023年的研究中，Shyer和Rodrigues使用了包括AFM和微移液管抽吸在内的技术来测量不同形态因子(作为发育信号的分子)如何影响鸡胚胎中发育中的皮肤和毛囊的机械特性。他们发现，在卵泡形成之前，形态诱导的生物物理变化并不像以前认为的那样发生在单细胞水平上，而是发生在大细胞群的规模上。“这是第一次在这种集体细胞尺度上测量涌现的物理特性，”Shyer说，并指出大多数生物力学研究都集中在单个细胞上。
也就是说，发育的许多方面只能用整个胚胎来探索。Campàs说:“如果我们关心胚胎结构如何形成的物理学，那么我们需要测量这些结构形成时的物理场。”
内部的角度来看
然而，用于此类工作的工具箱是有限的。例如，除了微移液管抽吸，许多研究人员还通过使用紫外线激光在胚胎表面引入目标切口来评估表面张力。海森堡解释说:“你可以观察到你切割的组织有一种后坐力，这种后坐力的速度与组织中的张力成正比。”但是胚胎在这个过程中会受到损伤，而且结果很难量化，因为后坐力的强度本质上取决于受影响细胞的力学特性，而这些特性可能是未知的。
现在，其他有希望的方法正在出现。Campàs实验室已经开发出油包液滴传感器，可以注射到活胚胎中，然后成像。在这些传感器的最初迭代中，液滴充满了荧光染料，它们在给定注射部位所经历的应力是根据它们变形的程度来计算的。这种方法在斑马鱼等快速发展的模型中被证明特别有价值。Campàs说:“你可以在几个小时内成像整个器官的形成。”但它也适用于哺乳动物的发育。例如，在2022年，Campàs和他的同事使用这种方法记录了内部物理压力的逐渐积累如何控制胚胎小鼠脚趾生长的开始和程度。缺乏有助于这种压力积累的形态原的突变小鼠只发育出短的小指而不是功能指骨。
活斑马鱼胚胎细胞间的一个小液滴(粉色和青色)使科学家能够测量组织中的渗透压
Campàs的团队还开发了更复杂的微液滴传感器。其中一个版本包含了一种铁基“铁磁流体”，可以用磁场来操纵。这使研究人员能够在注射部位长时间施加控制力，同时还可以测量周围组织的材料特性。另一个迭代的特点是一个包裹在油滴中的水滴。当液滴中的液滴受到渗透压增加的影响时——例如，如果细胞或组织变得饱和——它会吸收更多的液体，从而产生可测量的体积变化。Campàs表示，这些传感器可以用于了解中空器官结构(如肺气道或胰管)中通道的形成方式。
光学镊子，使用聚焦激光物理“捕获”和操纵纳米级物体，也可以用来在体内推拉细胞膜和细胞器。法国艾克斯马赛大学的pierre - franois Lenne利用这项技术测试了活果蝇胚胎中细胞-细胞连接的强度。“他把接头夹住，然后他基本上就用它弹吉他，”ma<e:1>特雷说。这样的实验在历史上需要复杂的、自制的设备，但现在商业平台是可用的，ma<s:1> tre正在他自己的实验室里使用这种方法来测试细胞和核膜的材料特性是如何随着胚胎的生长而变化的。“这是一个非常有前途的工具，”他说。
不干涉的方法
也就是说，允许细胞遵循力诱导提示的相同传感机制也可以对移液管尖端的刺激做出反应，海森堡警告说，即使是相对温和的干预，如注射微滴，也可能引起反应。海森堡说:“你把它放入组织中，组织知道那里有一些不属于你的东西。”
因此，研究人员热衷于开发无接触的替代品。一种可能性是根据单个细胞在与其他细胞连接处的变形程度，通过计算推断出单个细胞所承受的力。Turlier解释说:“表面主要控制细胞的形状。”“这不是内部的东西在推动，而是表面在变形。”如果有足够的起始信息，研究人员原则上可以仅通过图像分析就绘制出胚胎的受力图。
Foambryo软件将胚胎模型化为泡状细胞的泡沫。资料来源:法兰西学院
许多力推理工具最适合于平面上皮细胞，但Turlier的团队已经在3D力推理方面取得了进展，他们使用了一种名为“泡沫”的算法。《泡沫胚》发表于2023年，它将胚胎建模为泡沫状细胞的泡沫，就细胞的一般形状和排列而言，这一假设似乎广泛适用于整个胚胎系统。Turlier指出，Foambryo有重要的局限性——例如，该方法提供了相对而不是绝对的力测量，并且只能解释胚胎细胞承受的张力的一个子集。不过，他说，“我认为我们在这里所做的很重要，因为即使它不完美，它也会给我们一个很好的初步猜测。”
在另一种新兴的非侵入性方法中，布里渊显微镜，样品在改进的荧光显微镜中用激光束扫描。扫描组织中生物分子的运动影响光散射的程度，这种光学散射的测量可以用来计算与细胞刚度和弹性相关的机械性能。
密歇根州底特律韦恩州立大学(Wayne State University)的生物医学工程师张吉韬(Jitao Zhang)是该方法的倡导者之一，他一直在使用布里渊显微镜研究发育过程中的关键过程，这些过程如果偏离正常，可能会导致危及生命的先天性疾病，比如脊柱裂。张说:“我们已经将这种光学方法应用于鸡胚胎，以监测神经管关闭时硬度的变化。”布里渊让他的团队用21个多小时的时间记录了这一过程，测量了随着神经管组织增厚、弯曲和闭合，组织硬度的稳步增加。陈还发现布里渊显微镜是一个有价值的工具。“我认为这是研究微囊内机械刚度的完美系统，”他说。
然而，关于布里渊显微镜的应用仍有一些悬而未决的问题。它所能进行的机械测量受到被成像组织的折射率和密度的影响，并且这些参数可能没有很好地定义。海森堡说:“这是基于一些假设，而这些假设有时在实验上很难证明。”Chan指出，正在出现的方法使测量复杂生物样品的光学特性成为可能。虽然AFM和布里渊测量的力学性质不同，但两者在许多生物系统中似乎是相关的。因此，交叉验证对于解释布里渊数据很重要，Zhang说他的团队使用AFM仔细检查其布里渊数据。他说:“你必须根据样本进行校准——这是最痛苦的部分。”他的团队正在建立一个专门的设施，在那里两种方法可以在同一个样本上并行进行。
填补空白
事实上，当涉及到机械生物学时，即使是最久经考验的方法也存在不确定性。“你在处理一种有生命的材料，”罗德里格斯说。“这有点棘手，因为你必须尝试构建一种你甚至不完全了解的物质的工具。”
这意味着任何研究都需要基于不完整的参数信息的假设和模型，这些参数在不同的胚胎和时间之间可能会有很大的差异。例如，Turlier指出，关于胚胎细胞几何形状的错误假设导致使用AFM的结果大相径庭。他说，在同一个电池上重复测量的结果相差高达700%，这并非闻所未闻。他补充说，在这方面，更多的体内数据应该证明是有价值的，产生的价值可以用来建立和校准更准确的模型。
然后，将这些机械现象与引发它们的潜在遗传和生物分子过程联系起来是一个挑战。像Shyer和Rodrigues在鸟类皮肤上的研究表明，在特定形态因子或其他信号提示与机械性能和力图的大规模变化之间绘制明确联系是可行的。Rodrigues对有机会在这里结束这个循环充满热情，也许可以为人们知之甚少的发育障碍的根本原因得出更全面的解释。“在这个层面上理解生物物理学，”他说，“可以让我们真正理解许多我们无法组织的遗传信息。”
