中國科大工程科學(xué)學(xué)院近代力學(xué)系姜洪源教授團隊揭示了不同形式和不同程度的受限力學(xué)環(huán)境對細胞多極紡錘體的調控機制，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1：兩面受限內多極紡錘體出現的概率很高，而四面受限內多極紡錘體出現的概率較低。（a）實(shí)驗裝置圖。（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細胞的顯微鏡明場(chǎng)圖。比例尺為30微米。（d）兩面受限和四面受限內細胞形成雙極或多極紡錘體結構，并且完成細胞分裂。比例尺為10微米。（e）兩面受限內多極紡錘體的統計比例。（f）四面受限內多極紡錘體的統計比例。
多極紡錘體和多極細胞分裂普遍存在于癌細胞中，其被認為與細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)單的體外二維培養體系，但是復雜的體內環(huán)境如何影響多極紡錘體還知之甚少。事實(shí)上，體內環(huán)境是空間受限的力學(xué)微環(huán)境，細胞會(huì )受到周?chē)渌毎图毎饣|(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環(huán)境截然不同。
圖2：（a）細胞五極紡錘體（四面受限）的三維重構圖。（b）自由不受限、兩面受限、四面受限內的細胞發(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，上皮細胞的染色體分離幾無(wú)差錯；但是，當這些上皮細胞從其天然組織中解離并在體外環(huán)境下進(jìn)行二維培養時(shí)，染色體分離的錯誤率顯著(zhù)上升。這表明正常的組織結構為細胞提供的受限力學(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概率要高得多，這可能是由于癌細胞所處的極度擁擠的三維微環(huán)境所導致的。在腫瘤生長(cháng)過(guò)程中，體內癌細胞不受控制地增殖，這將在腫瘤內部產(chǎn)生擠壓應力，這些應力的累積將使癌細胞受到嚴重的擠壓，甚至導致腫瘤內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(zhù)差異表明：細胞對其所處的受限力學(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)境之間的區別，以及它們如何影響多極紡錘體和染色體分離還有待研究。
針對這一科學(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)模擬組織結構中不同形式和不同程度的機械約束，研究了不同形式和不同程度的受限力學(xué)環(huán)境對細胞多極紡錘體形成的影響，并進(jìn)一步闡明了其內在機理。該研究發(fā)現隨兩面約束程度的升高（兩面間距變小），多極紡錘體出現概率從12%增加到60%；而隨著(zhù)四面約束程度的升高（管道高度不變，寬度降低），多極紡錘體出現概率則從12%降低到4%。進(jìn)一步的實(shí)驗證實(shí)了兩面受限環(huán)境通過(guò)紡錘極的分裂導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。結合實(shí)驗、數值模擬和理論模型，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，并證明四面受限力學(xué)微環(huán)境能夠控制細胞的形狀，進(jìn)而調節細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壘以及多極紡錘體出現的概率。該項研究成果揭示了不同形式的受限力學(xué)微環(huán)境對細胞分裂和紡錘體構型的調控機制，為細胞力學(xué)微環(huán)境調控細胞內生理活動(dòng)提供了有力證據，同時(shí)對發(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)境改變細胞形狀，進(jìn)而調控紡錘體的劈裂與合并行為。（a）計算模擬四面受限的力學(xué)環(huán)境調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型的實(shí)驗結果（左）和計算模擬（右）對比。比例尺為10微米。
著(zhù)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)家的高度評價(jià)。紐約大學(xué)的計算生物學(xué)家Alex Mogilner稱(chēng)贊“他們解決的問(wèn)題對生物醫學(xué)應用非常重要，因為許多癌癥細胞，甚至健康細胞，都會(huì )組裝多極紡錘并錯誤分裂”（“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“該項研究應該是第一次直接證明細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.”），“ 填補了關(guān)于多極紡錘體的知識空白”（“highlight how little we know about spindle multipolarity”）。
圖4：理論模型揭示細胞形狀調控紡錘體的劈裂與合并行為。（a）理論模型示意圖。（b）計算并統計實(shí)驗中的紡錘體劈裂與合并行為的能量勢壘。（c）四面受限的力學(xué)環(huán)境調控紡錘體行為的機理。較寬的管道內細胞呈圓形，極與細胞皮層的距離較遠，因此極與極之間的相互作用并不顯著(zhù)（I）。而較窄的管道內細胞呈細長(cháng)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(zhù)，進(jìn)而增大紡錘極劈裂的能量勢壘，同時(shí)也減小紡錘體合并的能量勢壘（II）。
中國科大工程科學(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。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金、微尺度國家研究中心、中科院材料力學(xué)和行為設計重點(diǎn)實(shí)驗室、中國科學(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）
