Discontinuous buckling from cytoplasmic mechanics in vertex models of epithelia
本文表明，将细胞质力学引入上皮细胞顶点模型，揭示了在压缩下存在不连续的屈曲转变，这种组织尺度行为的定性变化可以通过六阶朗道理论中的三临界点来解释。
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生物体内的组织不仅仅是细胞的袋子；它们是具有结构的、机械性的材料，能够弯曲、折叠并保持其形状。为了理解这些组织的行为方式，科学家经常观察细胞表面，即每个细胞的外边界。这个表面由一层收缩性的蛋白质进行加固，就像一层紧致的皮肤，并被粘合到相邻细胞和周围环境中。多年来，用于模拟组织如何改变形状的模型几乎完全集中在表面张力和黏附力上。它们将细胞内部（即细胞质）视为被动的填充物，忽略了悬浮在其中的复杂的蛋白质和结构组成的“浓汤”。然而，这个内部并非真空空间；它是一个密集的、拥挤的环境，会抵抗被挤压。关于这种内部阻力是否会改变整个组织的折叠方式，直到现在才是一个在很大程度上尚未被探索的问题。
来自德累斯顿马克斯·普朗克复杂系统物理研究所和系统生物学中心的科研团队致力于填补这一空白。他们构建了一个单层细胞的简化计算机模型，类似于器官的内衬，并在压缩细胞内部所需的能量中加入了一个特定的机械成本。在他们的模拟中，他们将细胞内部的内容想象成一组聚合物，随着细胞变小，这些聚合物变得更难被束缚。通过从侧面压缩这层模拟细胞，他们观察了组织的反应。结果令人惊讶。虽然组织在压力下总是会发生失稳（或称屈曲），但其屈曲的方式取决于内部成分的硬度，且变化巨大。
在缺乏这种内部阻力或内部阻力非常弱的情况下，随着压力的增加，组织会平滑且逐渐地弯曲。这是一种连续转变，即曲线从平坦到折叠缓慢生长。然而，研究人员发现，当他们将内部硬度增加到特定的中间范围时，行为发生了彻底的变化。组织不再是缓慢弯曲，而是突然“啪”地一声跳跃到一个折叠形状。前一刻它还是平坦的，下一刻，在仅仅增加一点点压力之下，它就跳到了一个显著弯曲的状态。这是一种不连续转变，是突然的跳跃而非平滑的曲线。更出乎意料的是，如果他们使内部成分变得更加坚硬，组织又回到了平滑弯曲的状态。这种突然的跳跃只发生在那个中间硬度范围内。
为了理解为什么会发生这种情况，研究人员开发了一个数学框架，将组织视为一个连续的薄片，而不是一系列独立的块体。他们发现，这种突然的跳跃是由一种特定类型的机械不稳定性驱动的，类似于一座桥在承受特定载荷时会突然坍塌，而不是缓慢弯曲。他们的分析表明，细胞表面的张力与内部细胞质的阻力之间的竞争创造了一个临界点。当内部阻力恰到好处时，它如此彻底地破坏了平坦状态的稳定性，以至于组织无法稳定在轻微弯曲的状态，而必须跳跃到完全折叠的状态才能找到稳定性。
这一发现具有重要意义，因为它表明细胞内部的机械特性可以从本质上改变整个组织的行为。这不仅仅是让组织变得更硬或更软的问题；它可以从根本上改变发生的折叠类型。研究人员通过使用更复杂的细胞形状进行测试，证实了这种突然的跳跃并非其简化模型的产物，且该效应依然存在。他们还注意到，这种突然的跳跃在自然界中很罕见，在物理学中也只有极少数已知的例子，例如在厚弹性介质中的棒状物屈曲。
这项工作表明，细胞的内部力学机制与它们的表面一样，对于决定组织的发育和维持其形态至关重要。在生物系统中，组织经常通过折叠来创造复杂的形状，如大脑褶皱或肠道，理解这些突然的跳跃对于这些系统至关重要。研究人员强调，尽管他们的模型是一种简化，但它揭示了一种稳健的现象：细胞拥挤的内部并非被动的旁观者。它积极参与了组织的机械决策，能够将温和的弯曲转化为突然的跳跃。这一洞察力推动了该领域向更完整的生物组织机械模型迈进，在这些模型中，细胞内部被赋予了与外部同等的重视程度。
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