揭秘胚胎頭部形成過(guò)程 干細(xì)胞懂流體力學(xué)

近日，巴黎狄德羅大學(xué)的研究員文森特弗勒里（Vincent Fleury）研究表明，在胚胎干細(xì)胞發(fā)育的早期階段，干細(xì)胞折疊成U形結(jié)構(gòu)前，會(huì)形成較平且整體性較強(qiáng)的細(xì)胞形態(tài)，在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，雞胚的頭部在形成發(fā)育階段是由于相關(guān)胚胎結(jié)構(gòu)之間以一定的速度相互碰撞融合的結(jié)果，其中符合了流體力學(xué)的特征。

本項(xiàng)研究首次使用了高分辨率的觀測(cè)工具，即時(shí)間延遲顯微技術(shù)，這種顯微鏡能像放電影一樣將胚胎發(fā)育的頭兩天內(nèi)的情況一幀一幀地顯示出現(xiàn)，并且還具備非常高的分辨能力。在此之前，在相關(guān)研究中采用了其他較為復(fù)雜的成像技術(shù)，不僅費(fèi)用昂貴，在成像清晰度上還不夠準(zhǔn)確。研究人員在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，將雞的胚胎從蛋殼中取出，并且將卵黃也除去，而之所以把卵黃也去除，是因?yàn)樵诒敬窝芯恐杏^察胚胎在頭48小時(shí)內(nèi)不需要卵黃參與，之后提供實(shí)驗(yàn)對(duì)象在適當(dāng)?shù)臏囟葪l件下。

而之前的相關(guān)研究中，研究方向主要集中在單個(gè)細(xì)胞的發(fā)育情況上。而巴黎狄德羅大學(xué)進(jìn)行的本項(xiàng)研究中，將胚胎作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮，而這個(gè)時(shí)期的胚胎外形就有點(diǎn)像個(gè)橡皮泥，更形象的比喻可以參考西班牙畫(huà)家薩爾瓦多·達(dá)利(Salvador Dali)創(chuàng)作的作品《記憶的永恒》中出現(xiàn)的“熔化的時(shí)鐘”，形象地描述出了這個(gè)時(shí)期的胚胎外形。此外，在本次研究中，研究人員還測(cè)量了胚胎上各檢測(cè)點(diǎn)位的速度參數(shù)，以及各點(diǎn)的粘彈性特征。將這些數(shù)據(jù)整合到胚胎相關(guān)的生物學(xué)參數(shù)上，比如細(xì)胞的粘度、厚度和整體的尺寸大小等。最后，研究人員完成了一個(gè)關(guān)于胚胎早期發(fā)育的運(yùn)動(dòng)模型。

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這些非常吸引人的胚胎結(jié)構(gòu)上，使用相關(guān)數(shù)學(xué)公式可以用來(lái)描述胚胎的某些行為特征，同時(shí)可以用向量賦予胚胎發(fā)育的運(yùn)動(dòng)模型中，以表示胚胎細(xì)胞的流體力學(xué)特征。具體的表現(xiàn)為：當(dāng)干細(xì)胞的相關(guān)部分在發(fā)育過(guò)程中發(fā)生碰撞，U形結(jié)構(gòu)的兩端就會(huì)受力融合在一起，這可以想象為U形磁鐵的兩個(gè)N極和S級(jí)相互合并的過(guò)程，之后就導(dǎo)致了雞的頭部的形成。

這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，胚胎中（雞胚）頭部的發(fā)育過(guò)程不僅僅是由于一系列的基因開(kāi)關(guān)（密碼啟動(dòng)子）參與活動(dòng)，而且除了生物化學(xué)過(guò)程之外，在胚胎早期發(fā)育過(guò)程中還存在著物理過(guò)程起著重要的作用，就像實(shí)驗(yàn)中證明的在雞胚頭部形成過(guò)程中，干細(xì)胞發(fā)育流程有著明顯的流體力學(xué)特征，這些運(yùn)動(dòng)的綜合作用，最終使得雞胚的頭部逐漸形成。而之前的研究中，忽略了這些物理過(guò)程在其中起到的作用。

對(duì)雞胚在發(fā)育過(guò)程中頭部形成符合流體力學(xué)特征的研究，為脊椎動(dòng)物的研究發(fā)展提供了一個(gè)新的亮點(diǎn)，可最終為科學(xué)家研發(fā)再生性的藥物提供了一個(gè)新的線索。類似的關(guān)于胚胎早期肢體發(fā)育的研究已經(jīng)刊登在8月出版的（《歐洲物理學(xué)期刊－應(yīng)用物理》）上。