中國(guó)科大工程科學(xué)學(xué)院近代力學(xué)系姜洪源教授團(tuán)隊(duì)揭示了不同形式和不同程度的受限力學(xué)環(huán)境對(duì)細(xì)胞多極紡錘體的調(diào)控機(jī)制，近日，相關(guān)研究成果以“Appropriate Mechanical Confinement Inhibits Multipolar Cell Division via Pole-Cortex Interaction”為題，做為Featured in Physics論文在線(xiàn)發(fā)表于《Physical Review X》雜志。
圖1：兩面受限內(nèi)多極紡錘體出現(xiàn)的概率很高，而四面受限內(nèi)多極紡錘體出現(xiàn)的概率較低。（a）實(shí)驗(yàn)裝置圖。（b）劃分自由不受限、兩面受限、四面受限的相圖。（c）不同寬度的四面受限內(nèi)細(xì)胞的顯微鏡明場(chǎng)圖。比例尺為30微米。（d）兩面受限和四面受限內(nèi)細(xì)胞形成雙極或多極紡錘體結(jié)構(gòu)，并且完成細(xì)胞分裂。比例尺為10微米。（e）兩面受限內(nèi)多極紡錘體的統(tǒng)計(jì)比例。（f）四面受限內(nèi)多極紡錘體的統(tǒng)計(jì)比例。
多極紡錘體和多極細(xì)胞分裂普遍存在于癌細(xì)胞中，其被認(rèn)為與細(xì)胞的癌變和腫瘤的惡化密切相關(guān)。目前關(guān)于多極紡錘體的研究大多基于簡(jiǎn)單的體外二維培養(yǎng)體系，但是復(fù)雜的體內(nèi)環(huán)境如何影響多極紡錘體還知之甚少。事實(shí)上，體內(nèi)環(huán)境是空間受限的力學(xué)微環(huán)境，細(xì)胞會(huì)受到周?chē)渌?xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)的空間約束，因而其形狀、粘附、遷移、有絲分裂以及染色體分離都與體外培養(yǎng)環(huán)境截然不同。
圖2：（a）細(xì)胞五極紡錘體（四面受限）的三維重構(gòu)圖。（b）自由不受限、兩面受限、四面受限內(nèi)的細(xì)胞發(fā)生劈裂、維持、合并等行為。
在乳腺、胚胎上皮組織和新生肝臟組織內(nèi)，上皮細(xì)胞的染色體分離幾無(wú)差錯(cuò)；但是，當(dāng)這些上皮細(xì)胞從其天然組織中解離并在體外環(huán)境下進(jìn)行二維培養(yǎng)時(shí)，染色體分離的錯(cuò)誤率顯著上升。這表明正常的組織結(jié)構(gòu)為細(xì)胞提供的受限力學(xué)環(huán)境可以限制多極紡錘體的發(fā)生。
然而與正常組織相比，許多腫瘤組織中的多極紡錘體出現(xiàn)概率要高得多，這可能是由于癌細(xì)胞所處的極度擁擠的三維微環(huán)境所導(dǎo)致的。在腫瘤生長(zhǎng)過(guò)程中，體內(nèi)癌細(xì)胞不受控制地增殖，這將在腫瘤內(nèi)部產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，這些應(yīng)力的累積將使癌細(xì)胞受到嚴(yán)重的擠壓，甚至導(dǎo)致腫瘤內(nèi)部的血管和淋巴管坍塌閉合。正常組織和腫瘤組織之間的顯著差異表明：細(xì)胞對(duì)其所處的受限力學(xué)微環(huán)境非常敏感。然而，正常組織和腫瘤組織所提供的受限力學(xué)微環(huán)境之間的區(qū)別，以及它們?nèi)绾斡绊懚鄻O紡錘體和染色體分離還有待研究。
針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題，姜洪源教授課題組使用微納加工技術(shù)制作了具有不同高度和寬度的微通道，用來(lái)模擬組織結(jié)構(gòu)中不同形式和不同程度的機(jī)械約束，研究了不同形式和不同程度的受限力學(xué)環(huán)境對(duì)細(xì)胞多極紡錘體形成的影響，并進(jìn)一步闡明了其內(nèi)在機(jī)理。該研究發(fā)現(xiàn)隨兩面約束程度的升高（兩面間距變?。?，多極紡錘體出現(xiàn)概率從12%增加到60%；而隨著四面約束程度的升高（管道高度不變，寬度降低），多極紡錘體出現(xiàn)概率則從12%降低到4%。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了兩面受限環(huán)境通過(guò)紡錘極的分裂導(dǎo)致多極紡錘體比例的增加，而四面受限環(huán)境則通過(guò)增強(qiáng)紡錘極的聚合和抑制紡錘極的分裂來(lái)抑制紡錘體的多極性。結(jié)合實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論模型，姜洪源教授課題組進(jìn)一步將紡錘體極的分裂和聚合視為可逆的化學(xué)反應(yīng)，并證明四面受限力學(xué)微環(huán)境能夠控制細(xì)胞的形狀，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞皮層和紡錘體極之間的相互作用，從而改變紡錘體極的分裂和聚合的能量勢(shì)壘以及多極紡錘體出現(xiàn)的概率。該項(xiàng)研究成果揭示了不同形式的受限力學(xué)微環(huán)境對(duì)細(xì)胞分裂和紡錘體構(gòu)型的調(diào)控機(jī)制，為細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境調(diào)控細(xì)胞內(nèi)生理活動(dòng)提供了有力證據(jù)，同時(shí)對(duì)發(fā)展靶向腫瘤微環(huán)境的癌癥療法也具有重要意義。
圖3：四面受限的力學(xué)環(huán)境改變細(xì)胞形狀，進(jìn)而調(diào)控紡錘體的劈裂與合并行為。（a）計(jì)算模擬四面受限的力學(xué)環(huán)境調(diào)控紡錘體的劈裂與合并行為。（b）不同受限程度的三極紡錘體構(gòu)型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（左）和計(jì)算模擬（右）對(duì)比。比例尺為10微米。
著名科普作家Philip Ball在Physics Focus專(zhuān)欄以《Four Walls Good, Two Walls Bad for Confined Cells》為題重點(diǎn)推薦了該研究工作（詳情請(qǐng)參閱https://physics.aps.org/articles/v16/38 ）。同時(shí)，該研究工作也得到了同行專(zhuān)家的高度評(píng)價(jià)。紐約大學(xué)的計(jì)算生物學(xué)家Alex Mogilner稱(chēng)贊“他們解決的問(wèn)題對(duì)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用非常重要，因?yàn)樵S多癌癥細(xì)胞，甚至健康細(xì)胞，都會(huì)組裝多極紡錘并錯(cuò)誤分裂”（“The problem they addressed is very important for biomedical applications, as many cancer cells, and even healthy cells, assemble multipolar spindles and divide incorrectly” ）。耶魯大學(xué)的生物物理學(xué)家Jonathan Howard則表示“該項(xiàng)研究應(yīng)該是第一次直接證明細(xì)胞形狀是多么重要的研究，也是利用自下而上的物理學(xué)方法解決復(fù)雜生物學(xué)問(wèn)題的一個(gè)非常好的案例”（“This is pretty muchthe first studythat directly demonstrates how crucial the cell shape is. It is a great example of a bottom-up physical approach to a complex biological problem.”），“ 填補(bǔ)了關(guān)于多極紡錘體的知識(shí)空白”（“highlight how little we know about spindle multipolarity”）。
圖4：理論模型揭示細(xì)胞形狀調(diào)控紡錘體的劈裂與合并行為。（a）理論模型示意圖。（b）計(jì)算并統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)中的紡錘體劈裂與合并行為的能量勢(shì)壘。（c）四面受限的力學(xué)環(huán)境調(diào)控紡錘體行為的機(jī)理。較寬的管道內(nèi)細(xì)胞呈圓形，極與細(xì)胞皮層的距離較遠(yuǎn)，因此極與極之間的相互作用并不顯著（I）。而較窄的管道內(nèi)細(xì)胞呈細(xì)長(zhǎng)形，極與皮層的平均距離較近，因而使得極與極之間的相互作用變得顯著，進(jìn)而增大紡錘極劈裂的能量勢(shì)壘，同時(shí)也減小紡錘體合并的能量勢(shì)壘（II）。
中國(guó)科大工程科學(xué)學(xué)院博士生程龍燦為該論文的第一作者，李景辰博士為論文的共同第一作者，博士生孫厚波為共同作者，姜洪源教授為通訊作者。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、微尺度國(guó)家研究中心、中科院材料力學(xué)和行為設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心的支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.011036
（近代力學(xué)系、科研部）
