在生物学和生物物理学领域，一个重要问题是动物发育过程中如何在三维中形成组织。来自德国德累斯顿的马克斯·普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所（MPI-CBG）、德累斯顿工业大学生命物理卓越集群（PoL）以及德累斯顿系统生物中心（CSBD）的研究团队发现，组织是如何“编程”的，从平面形式转变为三维结构。为此，团队专注于果蝇（Drosophila）的发育过程，特别是其翅片囊，从一个浅穹顶变化为一个曲折的褶皱，最终形成成虫的翅膀。
研究人员创建了一种技术，以跟踪三维形状的变化并检查细胞在这一演变过程中的行为。通过应用基于形状编程的物理模型，他们确定细胞的运动和重组在决定组织形状中至关重要。他们的研究结果发表在Science Advances上，表明形状编程可能是理解动物组织形成的普遍机制。
上皮组织由紧密连接的细胞层组成，构成各种器官的基础结构。为了发展出完全功能的器官，这些组织必须在三维中改变其形状。尽管一些机制已经被研究用于这种三维改变，但仍未能完全解释动物组织中形状的多样性。例如，在果蝇的翅片囊翻转过程中，翅膀是如何从单层细胞变化为双层的，具体过程仍不清楚。
由Carl Modes（MPI-CBG和CSBD）和Natalie Dye（PoL，之前在MPI-CBG）领导的研究团队旨在揭示这一转变是如何发生的。“在我们的解释中，我们受到‘形状可编程’无生命材料的启发，例如能够由于内部应力而在激励下转变为三维形状的薄水凝胶，”Natalie Dye解释道。她补充说：“这些材料能够以可控的方式在整个表面上改变其内部结构，以实现特定的三维配置。这个概念之前已帮助我们理解植物的生长。然而，动物组织更为流动，其细胞可以在形状、大小和位置上变化。”
研究人员着手确定形状编程是否能够通过测量果蝇翅片囊翻转过程中的组织形状变化和细胞活动提供对动物发育的见解——当穹顶形状转变为曲折的褶皱形状时。“使用物理模型，我们证明了集体的、编程的细胞行为足以产生观察到的翅片囊的形状变化。这表明，相邻组织的外部力量并不是必要的，细胞重组是囊泡形状转变的主要因素，”Natalie Dye研究团队的博士后Jana Fuhrmann说。为了确保细胞重组确实是囊翻转的主要原因，研究人员进行了减少细胞运动的测试，揭示了这种限制如何阻碍组织形状形成过程。
在研究期间，Carl Modes团队的博士生Abhijeet Krishna详细解释：“我们为形状可编程性创建的创新模型与各种细胞行为形式相联系。这些包括均匀和方向依赖的效应。虽然之前的模型只在一个时间点上处理一种效应，但我们的模型结合了两者，并直接将它们与细胞行为相关联。”
Natalie Dye和Carl Modes总结说道：“我们发现，主动细胞行为产生的内部应力是雕塑果蝇翅片囊翻转过程的原因。通过利用我们的新方法和受形状可编程材料启发的理论框架，我们能够分析任何组织表面的细胞模式。这些工具增强了我们理解动物组织如何在三维空间中动态变化其形状和大小。总体而言，我们的研究揭示，早期的机械信号有助于组织细胞活动，最终导致组织形状的改变。我们描述的原则可能广泛适用于改善对各种形状形成过程的理解。”
