航院馮西橋等在細(xì)胞力學(xué)研究中取得重要進(jìn)展
清華新聞網(wǎng)8月7日電 8月1日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院馮西橋課題組在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）發(fā)表題為《多細(xì)胞單層中振蕩形貌動(dòng)力學(xué)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(xì)胞協(xié)同振蕩的力學(xué)–生物學(xué)耦合作用機(jī)制，該成果對(duì)于胚胎發(fā)育力學(xué)的研究有重要價(jià)值。
果蠅胚胎發(fā)育過(guò)程中羊漿膜群體細(xì)胞振蕩力學(xué)機(jī)制（左上）果蠅胚胎背部閉合過(guò)程示意圖；（右上）果蠅胚胎背部閉合過(guò)程細(xì)胞面積與肌球蛋白活性演化的數(shù)值模擬；（左下）邊界剛度對(duì)群體細(xì)胞振蕩模式的調(diào)控；（右下）細(xì)胞彈性和主動(dòng)收縮對(duì)群體細(xì)胞動(dòng)力學(xué)行為的調(diào)控。
力學(xué)因素在生物體發(fā)育過(guò)程中扮演著重要角色，但前人研究多集中在力學(xué)因素對(duì)宏觀(guān)組織與器官形態(tài)的影響。隨著細(xì)胞生物學(xué)的快速發(fā)展，力學(xué)因素在細(xì)胞尺度上的調(diào)控作用受到越來(lái)越多的關(guān)注。在生物系統(tǒng)中，群體細(xì)胞振蕩現(xiàn)象廣泛存在于脊椎動(dòng)物分節(jié)、中胚層內(nèi)陷、胚帶延伸等胚胎發(fā)育的關(guān)鍵過(guò)程中，對(duì)于協(xié)調(diào)、聯(lián)系生命體在細(xì)胞和組織兩個(gè)尺度上的發(fā)育具有重要意義。盡管已有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明細(xì)胞振蕩對(duì)于胚胎發(fā)育不可或缺，然而，群體細(xì)胞是如何實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)的集體振蕩的？力學(xué)與生物學(xué)因素在其中各自扮演什么樣的角色？這些問(wèn)題至今尚不清楚。
本研究以果蠅胚胎發(fā)育背部閉合過(guò)程中羊漿膜細(xì)胞形態(tài)振蕩為例，建立了刻畫(huà)群體細(xì)胞振蕩的力學(xué)–化學(xué)耦合理論，發(fā)現(xiàn)力學(xué)信號(hào)與生化反應(yīng)通路構(gòu)成一套時(shí)滯負(fù)反饋機(jī)制，并在細(xì)胞單層內(nèi)產(chǎn)生霍普動(dòng)力學(xué)分岔(Hopf bifurcation, 縮寫(xiě)為HB)，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)的群體細(xì)胞周期振蕩。結(jié)果表明，細(xì)胞之間的拉伸應(yīng)力可視作該振蕩的門(mén)控機(jī)制，并激活生化反應(yīng)作為維持振蕩的能量輸入。羊漿膜的力學(xué)邊界條件不僅有助于保持該組織在發(fā)育過(guò)程中的幾何完整性，而且對(duì)羊漿膜內(nèi)多細(xì)胞振蕩的極化和同步化起關(guān)鍵作用。該研究揭示了力學(xué)因素在細(xì)胞群體行為中處于重要地位，解釋了果蠅發(fā)育中羊漿膜單層振蕩的力學(xué)–化學(xué)耦合機(jī)制，所得結(jié)果同時(shí)有助于理解傷口愈合、腫瘤轉(zhuǎn)移等過(guò)程中的群體細(xì)胞遷移現(xiàn)象。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院生物力學(xué)與醫(yī)學(xué)工程研究所2013級(jí)博士生林紹珍和李博副教授是該論文的共同第一作者，馮西橋教授、李博副教授和美國(guó)喬治·華盛頓大學(xué)助理教授藍(lán)贛輝為論文共同通訊作者。
馮西橋教授是清華大學(xué)工程力學(xué)系主任、生物力學(xué)與醫(yī)學(xué)工程研究所所長(zhǎng)，兼任北京國(guó)際力學(xué)中心秘書(shū)長(zhǎng)（2007年~至今）、國(guó)際斷裂委員會(huì)執(zhí)委等職。主要從事生物材料力學(xué)與仿生、細(xì)胞力學(xué)、細(xì)觀(guān)損傷與斷裂力學(xué)等方面的研究。曾獲國(guó)家杰出青年基金（2005年）、中國(guó)青年科技獎(jiǎng)（2007年）、全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng)（1999年）和全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文指導(dǎo)教師獎(jiǎng)（2013年）等獎(jiǎng)勵(lì)。李博副教授曾獲全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng)（2013年）。
論文鏈接：http://www.pnas.org/content/114/31/8157.full
供稿：航院 編輯：田心
