从左到右纤毛在胚胎发生过程中作为细胞力传感器

尽管人体在左右轴上是外部对称的，但包括心脏、肺、肝脏、胃和大脑在内的大多数内部器官的形状和位置都存在明显的左右不对称。

已知左右不对称是在早期胚胎发生过程中由一小群称为左右组织者的细胞建立的。在这个组织者中，活动的纤毛(细胞表面的毛发状结构)快速跳动以产生向左方向的细胞外液流动，这是左右差异的第一个向外迹象。

这种早期的流动已被证明对区分右派和左派至关重要。然而，这种流动如何被感知并转化为左右不对称一直是未知的。

由马萨诸塞州总医院(MGH)研究人员领导的一项新研究现在表明，组织者中的纤毛起着血流创造者的作用——它们还充当血流施加的生物力学力的传感器，以塑造左右身体计划发育中的胚胎。

研究结果发表在《科学》杂志上。

“许多小组近25年的工作[已经]表明，组织者中的纤毛和流动对于建立身体左右不对称是绝对必要的，”马萨诸塞州心血管研究中心的研究员ShiaulouYuan博士说综合医院和哈佛医学院医学助理教授，以及该研究的资深作者。“但我们还没有合适的工具或技术来明确研究这一切是如何运作的。”

为了克服这一挑战，研究人员利用斑马鱼作为左右发育模型，并采用了一种由定制显微镜和机器学习分析组成的新型光学工具包。

他们的方法是独一无二的，因为他们开发和部署了光镊——一种利用光来固定和移动类似于牵引光束的微观物体的生物物理工具——首次能够将机械力精确地传递到完整的活体动物的纤毛上。

利用这些工具，研究人员发现纤毛是细胞表面的机械传感器，对于发育中的身体和心脏等器官的左右不对称非常重要。

通过使用光学镊子对斑马鱼左右组织器中的纤毛施加机械力，他们表明组织者纤毛的一个子集感知并将流动力转化为控制斑马鱼左右发育的钙信号。

左右不对称的缺陷与许多人类疾病有关，包括异位综合征、原发性纤毛运动障碍和先天性心脏病。

“从这项研究中获得的知识不仅促进了我们对控制人体发育的基本细胞过程的理解，它们还可能为开发这些疾病的新诊断方法开辟新途径，”Yuan说。“此外，这项工作可能为纤毛信号和机械传感的靶向治疗铺平道路，以改善结果。”

Yuan和他的同事们继续研究控制纤毛力感应的分子机制。他们还继续开发新的策略来可视化和操纵纤毛信号，其长期目标是开发用于治疗纤毛相关疾病的新工具。

“这些结果以及使之成为可能的工具，为了解胚胎的发育模式提供了一个新窗口，同时也打开了潘多拉魔盒，”南方大学生物学和生物工程教务长教授ScottE.Fraser说。加州和这项研究的共同作者。“它提醒我们，关于纤毛信号和机械生物学如何影响发育和疾病，我们还有很多东西需要了解。”

MGH和哈佛医学院的其他作者包括LydiaDjenoune、MohammedMahamdeh和ChristopherNguyen。其他作者包括南加州大学的ThaiV.Truong，以及耶鲁大学的MartinaBrueckner和JonathonHoward。