以微流控系统为基础的体节发生模型研究

背景与研究动机

体节的形成在脊椎动物胚胎发育中起到至关重要的作用，尤其对胚胎肌肉骨骼系统的布局和功能产生了决定性影响。体节发生主要是通过双侧的原节中胚层（presomitic mesoderm, PSM）在头尾方向逐渐分段形成对称的上皮体节的过程。在该过程中，生化信号（如成纤维细胞生长因子FGF和视黄酸RA等）的梯度变化以及生物力学的影响是至关重要的。然而，现有的体节发生模型大多采用悬浮培养的方式，缺乏对生化梯度和力学信号的精确控制，限制了对复杂生化-生物力学相互作用的研究。

在此背景下，由密歇根大学和哈佛大学的研究团队合作开展了一项研究，通过微流控装置构建了人类多能干细胞（hPSC）来源的PSM组织模型，并在该模型中引入外源生化梯度，从而实现了体节发生的空间模式控制。研究团队通过该模型系统性地探讨了生物力学在体节形成中的调控作用，提出了一种基于力学模型的体节大小控制的标度律，并揭示了细胞间粘附、力的生成及上皮-间充质转化等力学调控因素在体节发生中的作用。该研究成果发表在《Cell Stem Cell》期刊上，标志着体节发生研究的一个重要进展。

研究流程与方法

1. 体节模型构建与微流控装置设计

研究团队设计了一种以PDMS（聚二甲基硅氧烷）为基材的微流控装置，该装置包含三个通道，中间通道的底部设有多个微沟槽，用于定位和限制hPSC来源的PSM组织，从而模拟体节形成的机械边界条件。通过在不同的储液池中加入FGF、RA和Wnt等信号分子，使其通过被动扩散在PSM组织内形成稳定的生化梯度。基于荧光标记的扩散试验证实了在约36小时内梯度的形成稳定性。

2. 体节形成的实时成像与标志物检测

使用荧光显微成像技术，研究人员跟踪了体节的形成过程，并在模型中观察到自头至尾的体节分段。通过免疫荧光染色技术，进一步验证了体节形成过程中Pax3和Tbx6等标志物的表达模式。Tbx6主要在PSM区域表达，而Pax3则在形成的体节中表达，这种空间表达的模式随着时间推进逐步向尾端扩展。

3. 生物力学调控的力学模型

在研究过程中，研究团队构建了一个基于体节形成中的生物力学过程的力学模型。该模型认为，在PSM头部区域，细胞发生上皮化及向体节转变的过程中，体节原体逐渐收缩，形成一个具有应变能的组织边界。当应变能超过体节形成所需的表面能时，PSM与新体节之间会发生分离，形成新体节。通过这一模型，研究人员提出了一种标度律，揭示了体节尺寸与PSM长度之间的关系。

4. 单细胞转录组测序分析

为了探究体节形成过程中的基因表达动态，研究团队在不同时间点对模型中的细胞进行单细胞RNA测序。结果表明，PSM细胞在向体节细胞转变的过程中，特定基因的表达呈现出逐步的调控模式，如Tbx6、Foxc2和Pax3等基因的表达随体节形成过程中的细胞命运转变逐渐发生变化。

5. 体节形成的力学影响因素测试

研究团队还通过力学、化学和基因扰动实验验证了力学调控在体节形成中的作用。例如，通过微流控装置施加周期性拉伸应变发现，体节的尺寸随着应变的增加而减小。此外，通过抑制细胞骨架收缩或细胞间粘附，研究人员观察到体节形成效率的显著下降，进一步证明了力学因素在体节形成中的重要性。

研究结果

体节形成的生物力学调控

研究结果表明，体节发生是由生化和力学因素共同调控的复杂过程。通过构建体节形成模型并引入外源生化梯度和机械限制，研究人员得以在体外系统中模拟体节发生的关键步骤。研究中提出的基于应变能和表面能的标度律，能够较好地解释体节的尺寸调控机制，并且得到了小鼠、鸡和斑马鱼等动物模型的体节形成数据支持。

单细胞RNA测序的转录组动态

单细胞RNA测序结果显示，PSM细胞在向体节细胞转变的过程中，特定的基因表达随着细胞分化的进程发生显著变化。这些基因的表达动态与体节发生过程中的生化梯度和细胞命运分化密切相关，为深入理解体节发生中的分子机制提供了新的视角。

体节形成的力学和化学扰动

研究中通过力学干预发现，体节形成的区域可以通过应力变化进行调控，这表明力学信号在体节大小和分段过程中的作用。此外，通过化学抑制细胞骨架收缩，观察到体节的形成被显著抑制，表明细胞的收缩力和粘附力在体节发生中的重要性。基因敲除实验进一步验证了某些基因（如Tcf15）在调控体节上皮化和边界形成中的关键作用。

研究意义

本研究通过构建微流控系统中的体节发生模型，成功在体外模拟了人类体节形成过程中的关键步骤，为理解脊椎动物体节发生中的生化-力学相互作用提供了新的工具和研究思路。相比于现有的体节模型，本文所提出的模型能够更有效地控制外源信号和力学边界，使得研究人员可以更好地分离体节发生过程中的各个影响因素，并深入探讨其中的调控机制。

该研究不仅揭示了体节发生中的标度律和生物力学调控机制，还为未来进一步的体节研究提供了重要的实验方法。特别是在模拟人体肌肉骨骼发育障碍和相关疾病的研究中，该模型具有潜在的应用价值。未来，通过引入更多动态信号和四维成像技术，有望进一步揭示体节形成过程中的分子和细胞层面的细节，为理解人体发育的基本机制提供更丰富的数据支持。

总结

本研究通过微流控系统成功构建了一个精确控制的体节发生模型，在体外条件下模拟了人类体节形成的生物力学过程。研究结果不仅支持了生化-力学相互作用对体节发生的重要性，同时提出了一种新的标度律解释体节尺寸的调控机制。该研究对未来的发育生物学研究具有重要的指导意义，也为人类肌肉骨骼系统的发育与疾病研究提供了新的实验基础。