人體器官的外部或內(nèi)部邊界襯有所謂的上皮層。這些是上皮細(xì)胞層，它們可以獨(dú)立地改變它們的3D形狀——這發(fā)生在生物過程中，例如器官發(fā)育(形態(tài)發(fā)生)、生理平衡(穩(wěn)態(tài))或癌癥形成(致癌作用)。特別令人感興趣的是細(xì)胞擠出的過程，其中單個(gè)細(xì)胞失去其“頂部”或“底部”表面，然后被推出該層。從力學(xué)的角度對(duì)這一現(xiàn)象缺乏透徹的理解，但現(xiàn)在金澤大學(xué)的倉知奧田和藤本光一發(fā)現(xiàn)，純粹的力學(xué)原因是細(xì)胞擠壓的原因。
機(jī)械上，簡(jiǎn)單的(單層)上皮片類似于泡沫，可以表示為相互連接的多面體層。Okuda和Fujimoto用這個(gè)泡沫模型來描述單層上皮細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞是一個(gè)平均體積為v的多面體，每個(gè)細(xì)胞的特征還在于相鄰細(xì)胞的數(shù)量n、頂面的面積(“頂面”)和底面的面積(“底面”)。該模型考慮了相鄰細(xì)胞間的機(jī)械力，得到了上皮細(xì)胞總機(jī)械能的公式。公式只是幾個(gè)參數(shù)的函數(shù)，包括V和N，以及平面密度和一個(gè)叫做銳度的量，可以區(qū)分是否有底面和/或頂面。(消失的頂面意味著基部被擠壓，反之亦然。)通過研究改變這些參數(shù)的能量變化，研究人員可以獲得關(guān)于上皮板力學(xué)的有價(jià)值的見解。
Uda和Fujimoto的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是系統(tǒng)表現(xiàn)出固有的機(jī)械不穩(wěn)定性：細(xì)胞拓?fù)浠蚣?xì)胞密度的微小變化會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞在沒有額外力的情況下被擠出。此外，已經(jīng)證明經(jīng)受擠壓的單元在層中產(chǎn)生力，該力可以將其他單元的擠壓引導(dǎo)到層的任一側(cè)。
科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，該模型的結(jié)果與在生物系統(tǒng)中觀察到的結(jié)果有許多相似之處，例如不同的上皮幾何形狀(如“玫瑰紅”或偽層狀結(jié)構(gòu))。
當(dāng)然，這種模式也有局限性。例如，假設(shè)整個(gè)工作表和單個(gè)單元格的表面是平的，而不是彎曲的。然而，引用研究人員的話來說，“盡管有其局限性，但該模型為理解形態(tài)發(fā)生、穩(wěn)態(tài)和致癌的上皮生理學(xué)提供了指導(dǎo)”。
[背景]
上皮細(xì)胞
上皮組織是四種人體(或動(dòng)物)組織之一，位于人體器官和血管的外表面，以及各種內(nèi)臟器官“空腔”的內(nèi)表面。一個(gè)典型的例子是稱為表皮的皮膚外層。上皮由上皮細(xì)胞組成；它可以只是一層上皮細(xì)胞(簡(jiǎn)單上皮)或兩層或多層(層狀或分層上皮)。金澤大學(xué)的倉知奧田和藤本光一現(xiàn)在已經(jīng)將簡(jiǎn)單上皮建模為多面體排列，以研究其機(jī)械特性，特別是上皮細(xì)胞擠壓的過程。
細(xì)胞擠壓
在上皮組織中，發(fā)生了細(xì)胞擠壓的過程——上皮細(xì)胞被“推出”上皮。細(xì)胞擠壓是一個(gè)重要的生物學(xué)過程，它調(diào)節(jié)例如凋亡(死亡)細(xì)胞的去除、組織生長(zhǎng)和對(duì)癌癥的反應(yīng)。大久田和藤本從機(jī)械的角度觀察了簡(jiǎn)單的上皮細(xì)胞。他們將上皮建模為相互連接的多面體層，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞擠壓(即多面體的頂面或底面收縮到一個(gè)點(diǎn)，然后消失)可以被視為一種純粹的機(jī)械特性。由于密度或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的微小變化，均質(zhì)片材固有的不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致細(xì)胞被擠出。
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