在每一个发育中的胚胎中都存在着自我组织的奥秘:一个有机体是如何在制造其组成部分的过程中塑造自己的?
通过采用整体而非简化的方法来研究组织形成，研究人员揭示了信号分子如何影响形成发育器官的生物物理过程。洛克菲勒大学形态发生实验室的联合主任Alan Rodrigues和Amy Shyer在《科学》杂志上发表的一项研究中描述了这些过程。
这项工作的基础是思维方式的根本转变，它寻求为器官发育研究提供更广泛、更有意义的背景，甚至可能转化为更有效的诊断和治疗许多人类疾病。
罗德里格斯说:“推动我们大部分工作的问题是，成千上万的细胞是如何聚集在一起产生组织中可见的有序模式的。”“我们的研究结果表明，除了分子和单个细胞之外，还有一种紧急秩序需要考虑。”
先前关于器官发育的研究很大程度上依赖于形态因子，这是一种在影响细胞身份和行为方面起关键作用的信号分子。开创性的研究表明，当各种形态因子发生突变时，会导致器官畸形(这项研究获得了诺贝尔奖)。
但是，大多数关于形态原的研究都集中在这些信号分子如何在基因或分子水平上，一个细胞接一个细胞地发挥作用，假设组织形成的复杂编排归结为每个细胞中表达的基因。Rodrigues和Shyer怀疑，从所谓的集体细胞规模或超细胞水平更广泛地观察注定要形成组织的整个细胞群，可能会对解释迄今为止仍然无法解释的问题有很大帮助。
Shyer说:“形态原对发育至关重要，但是关于它们是如何参与组织形成的，特别是当数千个细胞集体参与时，还有许多悬而未决的问题。”“我们试图超越单个细胞，在更大的范围内观察组织的形成。”
为了证明器官发育鸟瞰图的重要性，Rodrigues和Shyer将发育中的鸡皮作为模型。研究人员之所以选择他们的系统，是因为它具有理想的复杂性:皮肤发育成一个平面，上面点缀着一系列凸起，这意味着它足够简单，可以处理，但又足够复杂，可以作为人类器官固有复杂性的模型。通过研究细胞尺度以外的皮肤胚胎组织，研究小组希望确定一个器官是如何形成新结构的。
在鸡胚胎发育的一周左右，皮肤结构在一个关键的窗口期形成，类似于人类在子宫内发育的一个月左右。“这是一个独特而关键的阶段，人类与牛、老鼠或鸡几乎无法区分。这是当你得到持续一生的组织结构时，”Rodrigues解释说。“脊椎动物在这个阶段看起来非常相似，这表明存在深奥的保守原则。”
在确定了胚胎皮肤发育的关键拐点后，研究小组开始在集体细胞尺度上对其进行分析。作者着重描述了当暴露于形态因子时，真皮细胞集体的材料和机械特性发生的变化:粘度、弹性和机械活性。
关注细胞群，而不是单个细胞，提供了一种观察功能上有意义的特征的方法，否则就会错过这些特征。单个心脏细胞不能泵血，单个神经元不能写歌剧;心脏和大脑只有通过集体行动才能充分发挥作用，这种集体行动以某种方式超越了其组成单元的能力。那些研究这种复杂系统的人将这种现象称为涌现属性，因为这些能力并不存在于任何单一的组件中，而是通过它们之间的动态相互关系出现的。
研究小组假设，细胞集体的涌现特性可以反映在诸如粘度、弹性和机械活性等物理特性上。罗德里格斯说:“我们想要解决的挑战是通过实验捕捉并因此证明这些涌现特性在集体细胞水平上的存在。”
该团队与共同第一作者杨思辰(Sichen Yang)和卡尔·帕尔姆奎斯特(Karl Palmquist)一起开发了测量超细胞物理特性的技术，他们都在洛克菲勒大学进行了研究生学习。其中一项试验涉及原子力显微镜，它通过用探针刺激组织并测量其硬度来测试组织的材料特性。“集体细胞规模的好处在于，你实际上可以拉动和推动它，”谢耶说。“这是一种非常有触觉的做事方式。”
该团队还使用了另一种称为球体融合的试验，在该试验中，他们描述了两个“球体”细胞簇在彼此相邻时如何融合在一起。“当两个雨滴接触时，它们会迅速融合成一个大液滴，这表明它们的流动性。另一方面，当两个台球相邻放置时，它们保持分开，表明它们的固体性质，”Shyer说。当用一种特定的形态发生蛋白(BMP)处理球状体时，细胞团像水一样融合在一起。然而，当球体用不同的形态原，成纤维细胞生长因子(FGF)处理时，它们只是部分地像两个粘土球一样合并，表明固体性增加。
然后，与应用数学家、熨斗研究所(Flatiron Institute)研究员皮尔森·米勒(Pearson Miller)合作，该团队开始探索这种超细胞物理性质的变化可能是如何产生新结构的。该团队将定量生物物理模型与实验数据结合起来，提供了被活跃流体边缘包围的固体岩心以机械不稳定的几何形状出现的证据。这种不稳定性会自行消退，在这个过程中，会产生一个突出物，从皮肤平面上升起。
受亚细胞尺度思维的影响，该领域认为这些突出是基于单个细胞迁移或局部增殖。相比之下，这项研究表明，负责创造新器官结构的关键物理作用是在超细胞尺度上发挥作用。
“这足以产生皮肤和毛囊的形状，”谢耶说。“所以，我们看到的是形态因子并不直接协调器官的雕刻。它们的影响是通过超细胞特性和过程来调节的，这是我们现在才开始认识到的。”
虽然这些发现只能通过考虑单细胞以外的特性而出现，但Shyer指出，形态因子确实在细胞水平上起着关键作用。她说:“当用BMP或FGF处理时，每个细胞内确实会发生分子变化。”
事实上，研究小组描述了细胞群内的分子特征，并发现了细胞骨架以及细胞外基质组成和排列的关键变化。此外，单细胞测序显示，单个形态原可能修饰数十到数百个基因的表达。同时，从材料的角度来看，这些分子变化的贡献在超细胞尺度上表现出来。
将焦点转移到集体细胞规模可能对人类健康产生影响。例如，由于生长中的肿瘤与胚胎结构具有相同的特征，研究人员现在正在使用他们的方法来探索癌症的生长。
“我们的假设是，除非我们在超细胞水平上研究肿瘤组织，否则我们无法完全理解为什么单个突变细胞会形成肿瘤，”Rodrigues说。为了寻求这一线索，该团队目前正在研究他们的方法如何为卵巢癌的研究提供信息。
采用超细胞方法可能会开辟疾病诊断和治疗的新模式。罗德里格斯解释说:“可能是数百个基因的微妙调整结合成新兴的材料和机械特性，导致健康组织的破坏。”
“数量相对有限的潜在超细胞特性可能为治疗许多没有单一分子确凿证据的疾病领域提供急需的立足点。”
