基底拓扑与曲率影响上皮细胞排列和极化的研究

目的许多内脏器官都由弯曲的上皮单层包围一个中心腔组成,比如各种导管和囊状结构、早期胚胎结构等。上皮细胞单层如何适应基底拓扑和曲率还有待进一步研究。本研究旨在揭示基底拓扑与曲率影响上皮细胞排列和极化的生物力学机理。方法设计不同几何拓扑(圆柱面、球面)和曲率的曲面基底,研究细胞在曲面基底上极化、重排以及迁移的力学行为。结合液晶理论,建立排列-弹性耦合的连续介质模型,预测曲率和拓扑对细胞取向和长细比的影响。结果实验发现随着圆柱面/球面曲率增大,细胞更倾向于沿圆柱面轴向/球面环向排列且具有更大的长细比。细胞长细比和取向表现出显著的位置依赖性,越靠近边界,细胞长细比越大,且细胞倾向于沿边界取向排列。理论结果表明,细胞的排列方向与细胞单层面内最大主应力一致,而细胞长细比与细胞单层面内最大剪应力分布高度重合。曲率通过影响最大剪应力调节细胞极化行为。结论本研究揭示了几何拓扑约束和曲率对上皮细胞极化的调控,为曲率影响细胞行为提供了力学解释,有望对理解上皮形态发生和胚胎发育相关疾的诊断和治疗提供依据。