揭秘胚胎頭部形成過程 幹細胞懂流體力學

據國外媒體報導， 近日， 巴黎狄德羅大學的研究員文森特弗勒裡（Vincent Fleury）研究表明， 在胚胎幹細胞發育的早期階段， 幹細胞折疊成U形結構前， 會形成較平且整體性較強的細胞形態， 在這個基礎上發現， 雞胚的頭部在形成發育階段是由於相關胚胎結構之間以一定的速度相互碰撞融合的結果， 其中符合了流體力學的特徵。

本項研究首次使用了高解析度的觀測工具， 即時間延遲顯微技術， 這種顯微鏡能像放電影一樣將胚胎發育的頭兩天內的情況一幀一幀地顯示出現， 並且還具備非常高的分辨能力。

在此之前， 在相關研究中採用了其他較為複雜的成像技術， 不僅費用昂貴， 在成像清晰度上還不夠準確。 研究人員在進行實驗前， 將雞的胚胎從蛋殼中取出， 並且將卵黃也除去， 而之所以把卵黃也去除， 是因為在本次研究中觀察胚胎在頭48小時內不需要卵黃參與， 之後提供實驗物件在適當的溫度條件下。

而之前的相關研究中， 研究方向主要集中在單個細胞的發育情況上。 而巴黎狄德羅大學進行的本項研究中， 將胚胎作為一個整體進行考慮， 而這個時期的胚胎外形就有點像個橡皮泥， 更形象的比喻可以參考西班牙畫家薩爾瓦多.達利(Salvador Dali)創作的作品《記憶的永恆》中出現的“熔化的時鐘”， 形象地描述出了這個時期的胚胎外形。

此外， 在本次研究中， 研究人員還測量了胚胎上各檢測點位元的速度參數， 以及各點的粘彈性特徵。 將這些資料整合到胚胎相關的生物學參數上， 比如細胞的粘度、厚度和整體的尺寸大小等。 最後， 研究人員完成了一個關於胚胎早期發育的運動模型。

研究結果發現， 在這些非常吸引人的胚胎結構上， 使用相關數學公式可以用來描述胚胎的某些行為特徵， 同時可以用向量賦予胚胎發育的運動模型中， 以表示胚胎細胞的流體力學特徵。 具體的表現為：當幹細胞的相關部分在發育過程中發生碰撞， U形結構的兩端就會受力融合在一起， 這可以想像為U形磁鐵的兩個N極和S級相互合併的過程， 之後就導致了雞的頭部的形成。

這項研究的結果表明， 胚胎中（雞胚）頭部的發育過程不僅僅是由於一系列的基因開關（密碼啟動子）參與活動， 而且除了生物化學過程之外， 在胚胎早期發育過程中還存在著物理過程起著重要的作用， 就像實驗中證明的在雞胚頭部形成過程中， 幹細胞發育流程有著明顯的流體力學特徵， 這些運動的綜合作用， 最終使得雞胚的頭部逐漸形成。 而之前的研究中， 忽略了這些物理過程在其中起到的作用。

對雞胚在發育過程中頭部形成符合流體力學特徵的研究， 為脊椎動物的研究發展提供了一個新的亮點， 可最終為科學家研發再生性的藥物提供了一個新的線索。 類似的關於胚胎早期肢體發育的研究已經刊登在8月出版的（《歐洲物理學期刊－應用物理》）上。