航院馮西橋等在細胞力學研究中取得重要進展

　　8月1日，清華大學航天航空學院馮西橋課題組在《美國科學院院報》（PNAS）發表題為《多細胞單層中振蕩形貌動力學的激活與同步化》（Activation and synchronization of the oscillatory morphodynamics in multicellular monolayer）的研究論文，揭示群體細胞協同振蕩的力學–生物學耦合作用機制，該成果對于胚胎發育力學的研究有重要價值。本文威正翔禹/締一生物為您分析航院馮西橋等在細胞力學研究中取得重要進展。

　　果蠅胚胎發育過程中羊漿膜群體細胞振蕩力學機制（左上）果蠅胚胎背部閉合過程示意圖；（右上）果蠅胚胎背部閉合過程細胞面積與肌球蛋白活性演化的數值模擬；（左下）邊界剛度對群體細胞振蕩模式的調控；（右下）細胞彈性和主動收縮對群體細胞動力學行為的調控。

　　力學因素在生物體發育過程中扮演著重要角色，但前人研究多集中在力學因素對宏觀組織與器官形態的影響。隨著細胞生物學的快速發展，力學因素在細胞尺度上的調控作用受到越來越多的關注。在生物系統中，群體細胞振蕩現象廣泛存在于脊椎動物分節、中胚層內陷、胚帶延伸等胚胎發育的關鍵過程中，對于協調、聯系生命體在細胞和組織兩個尺度上的發育具有重要意義。盡管已有實驗證據表明細胞振蕩對于胚胎發育不可或缺，然而，群體細胞是如何實現協調的集體振蕩的？力學與生物學因素在其中各自扮演什么樣的角色？這些問題至今尚不清楚。

　　本研究以果蠅胚胎發育背部閉合過程中羊漿膜細胞形態振蕩為例，建立了刻畫群體細胞振蕩的力學–化學耦合理論，發現力學信號與生化反應通路構成一套時滯負反饋機制，并在細胞單層內產生霍普動力學分岔（Hopf bifurcation, 縮寫為HB），從而實現持續的群體細胞周期振蕩。結果表明，細胞之間的拉伸應力可視作該振蕩的門控機制，并激活生化反應作為維持振蕩的能量輸入。羊漿膜的力學邊界條件不僅有助于保持該組織在發育過程中的幾何完整性，而且對羊漿膜內多細胞振蕩的極化和同步化起關鍵作用。該研究揭示了力學因素在細胞群體行為中處于重要地位，解釋了果蠅發育中羊漿膜單層振蕩的力學–化學耦合機制，所得結果同時有助于理解傷口愈合、腫瘤轉移等過程中的群體細胞遷移現象。

　　清華大學航天航空學院生物力學與醫學工程研究所2013級博士生林紹珍和李博副教授是該論文的共同**作者，馮西橋教授、李博副教授和美國喬治·華盛頓大學助理教授藍贛輝為論文共同通訊作者。

　　馮西橋教授是教育部長江學者特聘教授，現任清華大學工程力學系主任、生物力學與醫學工程研究所所長，兼任北京國際力學中心秘書長（2007年~至今）、國際斷裂委員會執委等職。主要從事生物材料力學與仿生、細胞力學、細觀損傷與斷裂力學等方面的研究。曾獲國家杰出青年基金（2005年）、中國青年科技獎（2007年）、全國優秀博士學位論文獎（1999年）和全國優秀博士學位論文指導教師獎（2013年）等獎勵。李博副教授是中組部青年“千人計劃”入選者（2015年），并曾獲全國優秀博士學位論文獎（2013年）。

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