从混乱细胞到强韧胚胎的旅程

科学家们从事各种活动，例如将液体移液到小试管中，分析大量数据集以及审阅研究论文。然而，走出这些常规活动对于创新至关重要。暂时离开实验室环境可以激发新的想法。例如，实验室退修活动促进了同行之间的互动，这往往会导致新的合作。

这正是来自ISTA的Bernat Corominas-Murtra和Edouard Hannezo的经历。在西班牙的一次研究小组退修会议的海报展示中，Corominas-Murtra被一个数据集吸引，并与来自荷兰乌得勒支哈布雷赫特研究所高桥熙教授团队的博士后研究员Dimitri Fabrèges展开了热烈的讨论。最初的讨论如今已经形成了一篇《科学》期刊上的出版物。

这个国际研究团队通过研究小鼠、兔子和猴子的胚胎如何随时间和空间进展，建立了哺乳动物形态发生早期阶段的综合图谱——形状和结构的发展。他们的分析表明，细胞分裂和运动等个体行为极为混乱，但总体上，胚胎却表现出显著的相似性。基于这些数据，他们提出了一种物理模型，解释哺乳动物胚胎如何从这种混乱中进行自我组织。

从单一到多重的转变

在动物王国中，胚胎发育始于卵细胞的受精。这一事件引发了一系列细胞分裂，通常称为裂变。简单来说，一个细胞分裂为两个，两个分裂为四，四个分裂为八，这一过程持续进行。最终，这些细胞聚集成一个称为囊胚的有序结构，为未来所有器官和组织奠定基础。这整个现象被称作形态发生。

“胚胎发育的早期阶段至关重要，因为它们为所有进一步的发育过程奠定基础，”Edouard Hannezo表示。例如，在秀丽隐杆线虫（C. elegans），这一透明的线虫也是发育生物学的一个主要模型生物，早期胚胎中的细胞分裂受到高度调控，并在不同样本中始终保持一致的方向，形成具有相同细胞数量的生物体。相比之下，哺乳动物物种的分裂时间和方向则表现出更多的随机性。这种差异引发了关于哺乳动物胚胎发育如何尽管存在明显的无序却依然保持一致的疑问。

创建一个全面的胚胎图谱

为了探讨这个问题，高桥团队旨在对各种胚胎进行成像和定量评估，评估它们在小鼠、兔子和猴子等不同哺乳动物物种之间的相似性。Dimitri Fabrèges及其团队开发了“形态图”（morphomap）——一种用于复杂形态数据的可视化工具。“这是一种成像分析框架，展示了胚胎在空间和时间上的行为——一个详细的胚胎形态发生图谱，”Hannezo详细解释。

这个图谱使研究人员能够定量研究发育过程，并解决有关胚胎发育变异性的问题。借助这组数据，科学家们能够建立“正常”形态发生的基准。

Fabrèges在西班牙的实验室退修会上展示了形态图。数据揭示，在小鼠、兔子和猴子中，受精后的初始细胞分裂并不均匀，因为细胞以看似随机的模式进行分裂，直到达到八细胞阶段，此时所有胚胎开始相似。“在早期阶段看似不同的胚胎，在八细胞阶段结束时似乎趋向于相似的形状，”Hannezo解释道。但这种趋同的原因是什么？在混乱中提供结构的是什么？

胚胎的魔方——聚类优化

理论物理学家Corominas-Murtra和Hannezo对这一数据集产生了兴趣，并希望从理论的角度理解这一过程。

然而，由于胚胎的形状非常复杂，识别两个胚胎之间的相似性或差异性是一个挑战。研究人员发现，他们可以简单地通过研究细胞之间的相互作用来近似胚胎的复杂结构。“我们相信，关于胚胎形状的大多数关键细节可以通过了解细胞的排列，或者了解哪些细胞是直接连接的——就像社交网络中的连接一样，来推断出来。这种方法大大简化了数据分析和不同胚胎的比较，”Corominas-Murtra表示。

利用这一信息，研究人员设计了一个简单的物理模型，阐明胚胎如何过渡到一致的形状。该模型表明，物理法则指导胚胎实现哺乳动物之间的共同形态。

该模型暗示，通过破坏大多数细胞排列，除了少数目标配置，从而降低胚胎的表面能量，细胞之间的物理相互作用引导形成一个明确的形状。本质上，细胞随着时间的推移更倾向于更紧密地结合，这一看似简单的过程使胚胎重新排列自身，以达到最佳的堆积，就像解魔方一样。

混乱与结构的相互依存

这些发现提供了一幅全面的图景，说明哺乳动物胚胎发育如何受变异性和韧性影响。结构无法在没有混乱的情况下存在，这两个元素对于“正常”发育的概念都至关重要。“我们开始获得必要的工具来调查形态发生的变异性，这对于理解发展韧性背后的机制至关重要，”Hannezo总结说。随机性似乎是生命复杂性的重要因素。

通过增强我们对“正常”概念的理解，科学家们也可以识别出异常。这些知识可能在疾病研究、再生医学和生育治疗等领域发挥重要作用。展望未来，这一理解可能有助于识别最健康的胚胎，以用于体外受精（IVF），从而提高植入成功率。