肠类器官的机械化学双稳态赋予形态发生稳健性研究

肠道上皮的隐窝 - 绒毛结构是消化吸收的关键形态基础，其形成依赖于细胞骨架张力、渗透压等机械力的协同作用。然而，这些力如何在时空上协调以确保形态发生的稳健性(如对抗生物噪声)尚未明确。肠道类器官作为体外模型，能重现隐窝形成的关键过程(如顶端收缩、管腔体积变化)，但现有研究难以解释为何管腔收缩的时机对隐窝出芽至关重要，以及成熟隐窝为何对机械扰动不敏感。本研究通过建立力学模型结合实验验证，揭示机械敏感性反馈如何诱导形态双稳态，解释肠隐窝形态发生的历史依赖性和稳健性机制。

来自中国西湖大学、奥地利科学技术研究所的团队在《Nature Physics》(2025 年 4 月，Vol. 21)发表了题为Mechanochemical bistability of intestinal organoids enables robust morphogenesis的研究。

核心内容如下：

研究方法：

理论模型：构建 3D 顶点模型模拟肠上皮单层结构，纳入隐窝与绒毛区域的差异化张力、管腔体积变化及机械敏感性反馈(细胞张力随曲率调整)，通过能量景观分析预测形态稳定性;

实验验证：利用小鼠肠道类器官，结合前列腺素 E2(PGE)调控管腔体积、激光纳米手术测量管腔压力、Myh9-GFP 标记肌动球蛋白分布等，验证模型中机械力与形态的关联;

药理学干预：使用 blebbistatin 抑制收缩力，观察隐窝形态对张力和体积变化的响应。

关键结果：

形态双稳态：肠隐窝存在两种稳定形态 ——bulged(扩张)和 budded(出芽)，其状态依赖于管腔体积变化历史(如早期管腔收缩是出芽必需，后期膨胀不影响已出芽结构);

机械反馈机制：隐窝细胞的 apical-basal 张力差(σc)与管腔体积通过正反馈耦合 —— 弯曲导致上皮增厚，增强主动弯曲力矩，促进出芽;

机械敏感性作用：肌动球蛋白分布随隐窝曲率动态调整(如 bulged 状态膨胀时基底肌动蛋白上调)，拓宽双稳态参数范围，确保形态稳健性;

实验验证：管腔破裂实验证实 bulged 类器官处于肿胀状态，budded 类器官处于收缩状态;药物干预显示，出芽隐窝在张力恢复后仍保持形态，验证双稳态的不可逆性。

实验结果

图 1：隐窝形态对管腔体积变化的历史依赖性

该图通过时序成像和量化分析，展示正常发育与机械扰动下的隐窝形态差异。(A)示意图显示正常发育(b)、bulged 状态膨胀(c)和 budded 状态膨胀(d)的类器官形态动态。时间序列显示，正常发育中隐窝从 bulged 逐渐转变为 budded，隐窝开放程度随时间下降，管腔体积先减后稳;而 bulged 状态早期膨胀会阻碍出芽，隐窝开放程度维持高位，budded 状态后期膨胀则不影响形态。(e)双稳态关系图证实，早期膨胀显著抑制出芽，后期膨胀对已出芽结构无影响，代表性图像显示四种状态的隐窝差异(DAPI 染色细胞核，Lyz 标记潘氏细胞)，验证了形态对体积变化历史的依赖性。

图 2：管腔体积调控的隐窝形态双稳态理论

该图通过理论模型与实验验证，解析双稳态的力学基础。(A)3D 顶点模型示意图及相图显示，隐窝形态由隐窝张力差(σc)和归一化体积(v)共同决定，存在双稳态区域(两种形态均可稳定存在)。(B)能量景观分析表明，低 σc 时仅 bulged 稳定，高 σc 时仅 budded 稳定，中间 σc 时两者共存。(C)体积变化轨迹显示，σc=0.1 时形态随体积可逆变化，σc=0.15 时则出现滞后 —— 体积收缩诱导出芽后，再膨胀无法逆转回 bulged。(D)弯曲 - 厚度反馈机制示意图：隐窝弯曲增加上皮厚度(h)，增强主动弯曲力矩(M)，促进出芽。(E)激光切割实验证实，bulged 类器官管腔破裂后体积显著减小(肿胀状态)，budded 类器官则略有增大(收缩状态)。(F)张力不对称性(ε)测量显示，budded 隐窝的 ε 值高于理论阈值，可在膨胀时维持形态。

图 3：隐窝细胞的机械敏感性对双稳态的调控

该图揭示机械敏感性反馈如何拓宽双稳态范围。(A)反馈机制示意图：管腔体积和张力差影响隐窝曲率，而曲率通过机械敏感性反过来调控张力。(B)理论预测显示，bulged 状态膨胀时曲率减小会降低张力差，抑制出芽;budded 状态膨胀不改变曲率，张力差稳定。(C-D)Myh9-GFP 成像显示，bulged 隐窝膨胀后基底肌动蛋白富集(黄色箭头)， apical/basal 强度比下降，budded 隐窝则无显著变化。(E)拟合曲线表明，肌动蛋白强度比与隐窝半径呈负相关(n=1.0)，验证机械敏感性。(F)理论阈值与实验数据一致，budded 隐窝的 ε 值高于双稳态阈值，确保形态稳健。

图 4：机械化学双稳态驱动隐窝形态发生的理论与实验验证

该图整合理论轨迹与实验数据，验证双稳态的生理意义。(A)理论轨迹显示，正常发育中体积收缩与张力差升高协同诱导出芽;bulged 膨胀阻碍张力差升高，维持 bulged 状态;budded 膨胀则因双稳态保持形态。(B)相图比较证实，纳入机械敏感性后，实验数据(budded 隐窝的 ε 值)与理论预测更吻合。(C)模型拟合成功复现 bulged 与 budded 隐窝的张力差动态。(D)时序分析显示，隐窝形态在临界时间点(约 12 小时)发生快速转变(20 分钟内完成)，符合双稳态的 “跳变” 特征。(E)示意图总结：管腔压力与机械敏感性反馈通过双稳态确保隐窝形态发生的稳健性 —— 发育中响应体积变化，成熟后抵抗扰动。

全文总结

本研究揭示肠隐窝形态发生的机械化学双稳态机制：隐窝通过张力差与管腔体积的正反馈，形成 bulged 与 budded 两种稳定形态，其状态由体积变化历史决定;机械敏感性(肌动蛋白随曲率调整)拓宽双稳态参数范围，确保形态稳健性。该机制解释了为何早期管腔收缩是出芽必需，而成熟隐窝对机械扰动不敏感，为理解组织形态发生的时空协调性提供了力学视角。局限性包括模型未纳入细胞分化的分子信号，未来需结合单细胞技术解析机械力与基因调控的互作。