奥地利科学技术研究所 组织材料性质的剧烈变化对发育和疾病至关重要
刚性逾渗理论是材料科学中的一个概念，它可以准确地探测斑马鱼胚盘体内的材料相变
该图显示了早期斑马鱼胚胎的连接图，其中不同的刚性区域被突出显示(洋红色)
信用:尼科莱塔·皮特里杜，伯纳特·科罗米纳斯-穆尔特拉，IST 当奥地利科学技术研究所(IST)的科学家们观察正在发育的斑马鱼胚胎时，他们观察到了一个突然而戏剧性的变化:在短短几分钟内，固体状的胚胎组织变成了液体状
是什么导致了这种变化，它在胚胎的进一步发育中起着什么作用？在发表在《细胞》杂志上的一项多学科研究中，他们找到了答案，可以改变我们对发展和疾病关键过程的看法，比如肿瘤转移
为了进一步了解一小群细胞是如何发展成像鱼、人类或大象一样大的动物这样的复杂系统的，许多科学家求助于斑马鱼
它有几个优点，使它成为发育生物学家最喜欢的模式生物之一，如尼科莱塔·皮特里杜，直到最近他还是IST科技学院卡尔-菲利普·海森堡研究小组的博士后
首先，小条纹鱼仅在几天内发育，胚胎在它们母亲体外发育，并且是透明的——人们可以看到发育过程中的每个器官
在受精后几个小时观察斑马鱼胚胎时，在之前的一项研究中，尼科莱塔·皮特里杜(Nicoletta Petridou)和她的同事发现了胚胎组织粘度的突然变化——这是一种衡量组织抗变形能力的指标。“在早期阶段，形成胚胎的组织非常坚硬，但突然之间，粘度下降了10倍，组织流动非常快——它液化了，”生物学家解释说
小改变——大影响 同时，胚胎开始第一次改变它的形状，从而进入一个叫做形态发生的阶段
在一项新的研究中，研究人员更深入地研究了组织流化过程中细胞水平上发生的事情
“我们发现，在这种流态化之前，一个单独的细胞与它的四到五个相邻细胞相连
然而，在流态化开始时，它只剩下三到四个相邻的连接
细胞连接性的这一微小变化真的会导致组织粘度的十倍差异吗？这位分子和发育生物学家说:“当时我们转向物理学，为我们提供了一个可以解释这种效应的框架。”
“因此，尼科莱塔发现，组织粘度在宏观水平上的大幅下降，显然与微观细胞连接水平上的情况不符
这是物理学的一个关键点:将微观层次上发生的事情与宏观层次联系起来，”伯纳特·科罗米纳斯-穆尔特拉说，他直到最近还是爱德华·汉内索研究小组的一员
通过与材料科学的类比，研究小组意识到，每个细胞有四个相连的邻居实际上是一个非常特殊的门槛:19世纪的物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦已经意识到，低于这个连接水平的桥梁或网络等结构不再是刚性的了
这与细胞与少于四个相邻细胞相连时组织流化的实验观察结果完全一致
利用这个类比，研究小组能够证明组织的流态化表现出相变的特征，即从固体、液体或气体等物质的一种状态向另一种状态的转变
基于刚性逾渗理论的具有叠加刚性网络的斑马鱼胚胎延时电影
最大刚性团簇(紫色)尺寸的突然减小标志着形态发生开始时的流化和相变
信用:尼科莱塔·皮特里杜，伯纳特·科罗米纳斯-穆尔特拉，IST 临界点 在发现这种与相变的相似之处后，科学家们通过操纵细胞的连通性来挑战他们的理论
无论操作如何，连接的临界点足以解释实验观察到的组织粘度的突变
此外，他们从非生命系统的物理学中追踪了所有预期的相变特征
“能够追踪真实、活生生的系统中相变的所有预期属性是独一无二的
尤其是因为相变理论是为具有十亿个组件的系统而提出的，而这里我们谈论的是具有几百个组件的系统，”科罗米纳斯-默特拉热情地解释道
但是，如果每个细胞只失去一个连接就足以引发胚胎组织的如此显著的变化，如何避免意外的变化呢？“令我非常困惑的是，对胚胎来说，这似乎是一个非常危险的过程
既然我们知道有一个临界点，我们可以问是什么调节了它的平衡
我们发现的一个规则是细胞分裂的时间，它决定了组织的连接性，以及它的粘性，在空间和时间上的变化，”皮特里杜说，她刚刚在德国海德堡的欧洲分子生物学实验室(EMBL)成立了自己的研究小组
小条纹斑马鱼仅在几天内发育，胚胎在母亲体外发育，并且是透明的
信用:纳丁·庞塞奥尼，IST 从鱼类胚胎到肿瘤研究 这种转变对于小鱼胚胎的进一步发育至关重要
然而，它似乎也在癌症生长中起作用
当肿瘤转移时，最近的研究表明，组织也会突然从固体变成液体，这可能使癌细胞更容易移动
“如果一个人能追踪到这个临界点，它就打开了操纵它的途径，”皮特里杜说
“我们还没有这样做的工具，但我们可以关注最终导致这种转变的关键点，而不是从概念上关注大量可能在癌症生长中起作用的基因
" 事实证明，与来自奥地利IST两个不同研究小组的研究人员合作对科学家们的成功至关重要
“我记得我和妮珂丽塔在实验室里呆了几个小时，试图弄清楚她在做什么，反之亦然
我们需要达成一种共同的语言，这需要很多时间，但非常有益
多学科是一种态度，”伯纳特·科罗米纳斯-默特拉说，他最近开始在奥地利格拉茨卡尔-弗兰岑斯大学担任助理教授
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