Сворачивание и изменение формы тканей

Как пласты клеток изгибаются, сворачиваются и изменяют свою форму — посредством изменений в форме клеток, адгезии и механической силе — для формирования трубок и трехмерных структур.

Definition

Сворачивание и изменение формы тканей — это морфогенетические процессы, посредством которых пласты и массы клеток изменяют свою геометрию — изгибаются, удлиняются и перестраиваются — через скоординированные изменения в форме отдельных клеток, адгезии и силах, передаваемых через ткань.

Scope

Эта тема охватывает клеточную механику морфогенеза на тканевом уровне: апикальное сужение и другие изменения формы клеток, которые вызывают изгиб эпителия, конвергентное удлинение, которое удлиняет ткани, дифференциальную адгезию, которая сортирует клетки, и роль механических сил в формировании органов. В качестве примеров используются закрытие нервной трубки и инвагинация эпителия.

Core questions

• Как изменение формы отдельных клеток изгибает весь пласт?
• Как клетки перестраиваются, чтобы сделать ткань длиннее и уже?
• Как дифференциальная адгезия сортирует и формирует группы клеток?
• Какую роль играют механические силы в придании тканям их формы?

Key theories

Гипотеза дифференциальной адгезии

Клетки с разным количеством или типами молекул адгезии ведут себя как несмешивающиеся жидкости, сортируясь и округляясь для минимизации поверхностной энергии, что помогает объяснить, как смешанные популяции клеток организуются в слоистые, сформированные ткани.

Механический контроль морфогенеза

Силы, генерируемые внутри и между клетками — натяжение, сжатие и адгезия — активно управляют сворачиванием, удлинением и ветвлением, делая механику тканей прямым фактором, влияющим на форму, а не пассивным результатом химических сигналов.

Mechanisms

Эпителиальные пласты изгибаются, когда клетки сужаются на одной поверхности — обычно это апикальное сужение, вызванное сокращением актомиозиновой сети, — что приводит к изгибу пласта и образованию борозд или трубок, как при закрытии нервной трубки. Ткани удлиняются путем конвергентного удлинения, при котором клетки интеркалируют друг между другом, чтобы сузить ткань по одной оси и удлинить ее по другой. Дифференциальная адгезия, опосредованная кадгеринами и другими молекулами адгезии, заставляет клетки сортироваться в слои и округлые массы, минимизируя межфазную энергию. Во всех этих процессах механические силы передаются через клеточные контакты и внеклеточный матрикс, поэтому конечная форма отражает взаимодействие клеточного поведения и механики тканей.

Clinical relevance

Нарушения сворачивания, такие как неполное закрытие нервной трубки, приводят к серьезным врожденным дефектам, а механические принципы формирования тканей используются в тканевой инженерии и культивировании органоидов. Эта запись носит образовательный характер и не является источником клинических рекомендаций.

History

Гипотеза дифференциальной адгезии, разработанная на основе экспериментов по сортировке клеток, дала раннее физическое объяснение организации тканей; более поздние работы интегрировали молекулярную адгезию с количественной механикой тканей для объяснения сворачивания и изменения формы.

Key figures

• Malcolm Steinberg
• Donald Ingber

Seminal works

• gilbert2016
• mammoto2010

Frequently asked questions

Как плоский пласт клеток превращается в трубку?

Клетки вдоль пласта сужаются с одной стороны, изгибая пласт в бороздку, которая углубляется и замыкается в трубку — например, так формируется нервная трубка.

Действительно ли физические силы формируют эмбрионы?

Да. Такие силы, как натяжение и сжатие, генерируемые клетками, активно управляют сворачиванием и удлинением, работая вместе с химическими сигналами для формирования тканей.