《Nature》文章帶你換個角度理解「為什麼細胞過密，狀態就不好了？」

組織中經常發生細胞溢出現象。損傷、凋亡、死亡的細胞會被組織踢出來，就連正常健康的細胞有時也會被排擠出來。目的是防止局部區域的過度擁擠。細胞溢出現象不僅在組織和器官形成的發育階段尤其重要，也跟某些疾病（如癌症）的病理髮展相關。

生命體是一個有序的整體，從理論上講，這些正在發育中的細胞或癌症細胞的溢出應該是有先兆的，然而，目前我們仍未找到相關的細胞信號。

如今，來自新加坡生物力學研究所（MBI）和法國Jacques Monod研究所（IJM）、國家科學研究中心（CNRS）、巴黎狄德羅大學，以及英國牛津大學居里研究所的研究學者們從人工培養的單層上皮細胞那裡得到了一些重要啟示。

細胞層是一個具有物理性破綻的結構，這些破綻導致了部分細胞的「無辜」死亡。

大到細菌、細胞器，小到脂肪分子都有著明確清晰的自然屬性。組成組織和器官的細胞也不例外，無論任何種類的的細胞，都存在其固有的形狀。相同類型的細胞聚在一起，按照 一定的規矩整齊排列。從某種程度上，我們可以把排列好的上皮細胞想像成液晶片層。

液晶是一種介於固態和液態之間的物質形態。液晶在常態下呈液態能夠流動，在某些條件下，液晶也會顯示出非常規則的如固體晶體般的分子排列。液晶顯示屏的製造便是利用了液晶分子的排列變化能夠影響光學性質的屬性。但是同其他晶體一樣，液晶分子的「完美排列」也是相對的，液晶分子排列上的缺陷強烈影響著整體的物理屬性。4月13日發表在《Nature》雜誌的這篇文章，向我們展示了細胞層的排列缺陷。

拓撲學解釋

博士研究生 Thuan Beng Saw（本文一作），MBI的Chwee Teck Lim教授和Yusuke Toyama副教授，IJM、CNRS、MBI的Benoit Ladoux教授，牛津大學Amin Doostmohammadi博士和Julia M. Yeomans教授，居里研究所Philippe Marcq教授和(MBI)，合作發現：與手機或者電腦顯示器的液晶分子類似，單層上皮細胞的排列不僅呈膜片狀，並且也具有「取向有序」的特點，都是長邊對長邊、短邊對短邊狀的平行排列成行（如下圖A所示）。正因如此，這種類似液晶顯示屏的排列方式也存在了「拓撲學缺陷（topological defects）」。位於「屏幕」頭部的細胞的方向必須發生偏轉，從而與另一行細胞的尾部相連（如下圖B所示），有些細胞甚至需要旋轉90°角。對液晶屏幕來說，這種單個液晶分子的角度變化僅影響了這部分屏幕的光學屬性。而對細胞層來說，便意味著死亡。位於這種排列範圍內的細胞都會受到牽連而死，隨後被排出組織之外。

研究人員對這些「非整齊」細胞的空間扭曲動力學進行了檢測和分析。檢測到了集中在細胞片層的頭部的壓縮力，這種壓縮力通常出現在細胞被「排擠」出去前1小時，並且觸發了細胞死亡。

細胞通過細胞外基質（主要是蛋白絲和黏著結構）彼此鏈接，任意一個細胞的位移都會對它旁邊的細胞產生一個拉力。與其他部位的細胞不同，細胞層頭部的這群細胞在如此布局排列下會產生明顯的高壓力應激反應。這種應激反應最終引發細胞凋亡（appoptosis）和附近細胞的溢出。

組織醫學和再生醫學領域的應用

對組織醫學和再生醫學領域的實驗來說，通常要求科學家們必須極為小心的控制細胞增長和組織發育。這項新的發現為實現這些問題的有效控制提供了重要的基礎。事實上，科學家們已經通過模仿細胞的拓撲學缺陷，成功地控制了細胞的排列。這項發現不僅讓其他研究學者們精確地知道了哪一部分的細胞層可能會出現擠壓，並且讓我們更清晰的了解生理微環境是如何對組織發育產生影響的，基於這項新方法，未來人們將更好的控制、分析和研究細胞的生長和死亡。

細胞的立體拼圖遊戲也是門技術。未來，組織醫學和再生醫學專家們不僅要通曉細胞的生理屬性，恐怕還得掌握幾門結構力學了。