Sự gấp nếp và thay đổi hình dạng của mô

Cách các tấm tế bào uốn cong, gấp nếp và tự định hình lại — thông qua những thay đổi về hình dạng tế bào, sự bám dính và lực cơ học — để tạo thành ống và các cấu trúc ba chiều.

Definition

Sự gấp nếp và thay đổi hình dạng của mô là các quá trình hình thái học mà qua đó các tấm và khối tế bào thay đổi hình học của chúng — uốn cong, kéo dài và sắp xếp lại — thông qua những thay đổi phối hợp về hình dạng tế bào riêng lẻ, sự bám dính và các lực truyền qua mô.

Scope

Chủ đề này bao gồm cơ chế tế bào của quá trình hình thái học ở cấp độ mô: sự co thắt đỉnh và các thay đổi hình dạng tế bào khác làm uốn cong biểu mô, sự kéo dài hội tụ làm kéo dài mô, sự bám dính khác biệt làm phân loại tế bào, và vai trò của lực cơ học trong việc định hình các cơ quan. Nó sử dụng các ví dụ như sự đóng ống thần kinh và sự lõm vào của biểu mô.

Core questions

• Làm thế nào việc thay đổi hình dạng của các tế bào riêng lẻ có thể làm cong cả một tấm?
• Các tế bào sắp xếp lại như thế nào để làm cho một mô dài hơn và hẹp hơn?
• Sự bám dính khác biệt phân loại và định hình các nhóm tế bào như thế nào?
• Các lực cơ học đóng vai trò gì trong việc tạo hình cho các mô?

Key theories

Giả thuyết bám dính khác biệt

Các tế bào có số lượng hoặc loại phân tử bám dính khác nhau hoạt động giống như các chất lỏng không hòa tan, sắp xếp và làm tròn để giảm thiểu năng lượng bề mặt, điều này giúp giải thích cách các quần thể tế bào hỗn hợp tổ chức thành các mô có lớp, có hình dạng.

Kiểm soát cơ học của quá trình hình thái học

Các lực được tạo ra bên trong và giữa các tế bào — sức căng, sức nén và sự bám dính — chủ động thúc đẩy sự gấp nếp, kéo dài và phân nhánh, làm cho cơ học mô trở thành yếu tố đóng góp trực tiếp vào hình dạng chứ không phải là kết quả thụ động của các tín hiệu hóa học.

Mechanisms

Các tấm biểu mô uốn cong khi các tế bào co thắt ở một bề mặt — điển hình là sự co thắt đỉnh do sự co rút của mạng lưới actomyosin — làm cho tấm cong và tạo thành các rãnh hoặc ống, như trong quá trình đóng ống thần kinh. Các mô kéo dài bằng cách kéo dài hội tụ, trong đó các tế bào xen kẽ vào nhau để làm hẹp mô theo một trục và kéo dài nó theo một trục khác. Sự bám dính khác biệt, được trung gian bởi cadherin và các phân tử bám dính khác, khiến các tế bào sắp xếp thành các lớp và khối tròn bằng cách giảm thiểu năng lượng giao diện. Trong tất cả các quá trình này, các lực cơ học được truyền qua các mối nối tế bào và chất nền ngoại bào, do đó hình dạng cuối cùng phản ánh sự tương tác giữa hành vi tế bào và cơ học mô.

Clinical relevance

Các thất bại trong quá trình gấp nếp như sự đóng ống thần kinh không hoàn chỉnh gây ra các dị tật bẩm sinh nghiêm trọng, và các nguyên tắc cơ học của việc định hình mô cung cấp thông tin cho kỹ thuật mô và nuôi cấy cơ quan. Mục này mang tính giáo dục và không phải là nguồn tư vấn lâm sàng.

History

Giả thuyết bám dính khác biệt, được phát triển từ các thí nghiệm phân loại tế bào, đã đưa ra một giải thích vật lý ban đầu về tổ chức mô; công trình sau này đã tích hợp sự bám dính phân tử với cơ học mô định lượng để giải thích sự gấp nếp và thay đổi hình dạng.

Key figures

• Malcolm Steinberg
• Donald Ingber

Seminal works

• gilbert2016
• mammoto2010

Frequently asked questions

Làm thế nào một tấm tế bào phẳng trở thành một cái ống?

Các tế bào dọc theo tấm co thắt ở một bên, làm uốn cong tấm thành một rãnh sâu dần và bịt kín thành một cái ống — ví dụ như cách ống thần kinh hình thành.

Các lực vật lý có thực sự định hình phôi thai không?

Có. Các lực như sức căng và sức nén được tạo ra bởi các tế bào chủ động thúc đẩy sự gấp nếp và kéo dài, phối hợp với các tín hiệu hóa học để xây dựng hình dạng mô.