1.3　类器官结构的形成机制

类器官的形成本质上是组织器官发育或者再生的体外重现。那么细胞是如何相互作用形成特定的组织结构？通常认为，细胞自组织可以定义为，即使暴露在相同的信号环境中，细胞也会通过重排，自发地形成有序结构的组织。自组织可以拆分为自体模式（self-patterning events）和形态重排（morphogenetic rearrangement）事件。自体模式从对称性破缺（symmetry breaking）起始。对称性破缺涉及细胞分化、细胞自我聚集以及相邻细胞间的互作反馈，其结果是边界和信号中心的建立［19］。

细胞自我聚集是指具有相似黏附特性的细胞倾向于聚集在一起，是类器官形成特定结构的一个关键过程。关于细胞自我聚集的机制，Malcolm S.Steinberg于1963年提出了“黏附差异假说（differential adhesion hypothesis）”［24］。在该假说中，细胞的自组织行为依赖于细胞表面表达的黏附蛋白。不同的黏附蛋白会有不同的结合强度，同型黏附蛋白的结合强度高于异型黏附蛋白。黏附蛋白介导的细胞结合能降低自由能，进一步增强结合强度，使得聚集细胞的熵降低，维持热力学稳定状态［24］。在这个假说下，细胞在运动中倾向于与同类细胞结合，形成热力学稳态，细胞因此自我聚集形成不同的细胞群。

自提出黏附蛋白介导细胞自我聚集假说以来，该假说得到了较多体外细胞混合实验结果的支持。在同型或者异型黏附蛋白介导的结合实验中，对不同细胞的相对黏附强度进行测量后发现，这些黏附强度可以预测细胞的自我聚集行为。Ramsey A.Foty和Malcolm S.Steinberg在同一细胞系的不同克隆上表达不同数量的相同黏附蛋白，发现细胞可以按照黏附能力的强弱进行聚集，黏附能力最强的细胞会聚集在中心［52］。也有研究表明在体内组织或者器官发育的过程中黏附差异介导了细胞自我聚集，如在脊椎动物神经和表皮外胚层分化中，上皮和神经钙黏着蛋白的差异表达介导了细胞的自我聚集［53，54］。当然，细胞的自我聚集过程中还包含着其他更加复杂的分子机制，并不能简单地用自由能最小化来概括［55］。但通过将细胞自组织能力的描述简化为对细胞表面黏附蛋白黏附能力的定量测定，可以提供一种预测细胞自我聚集过程的方法。通过测量不同细胞的相对黏附强度，进而预测不同细胞的自组织过程。(https://www.daowen.com)

对称性破缺在体内发育或体外类器官形成过程中持续发生。当同一胚层的细胞聚集在由细胞外基质基底膜排列的隔室腔中时，会产生或者响应特定的信号模式，导致对称性打破，开始形成特定的亚结构，这些亚结构将发展为各种器官前体。例如，小鼠的胚状体在短时间Wnt信号刺激下，导致前后对称性破缺，形成小鼠类原肠结构［56，57］。值得注意的是，绝大多数胚状体只形成一个原条样结构，并且沿特定轴向发育和延伸，提示该过程中细胞之间的互作反馈调节［58］。

一旦对称性被打破，来自信号中心区域的特定信号会进一步诱导和建立器官的形态。例如，在大脑发育中，顶板和底板中背侧和腹侧的信号中心通过Wnt/BMP和Shh信号向相邻的祖细胞发出信号，并影响它们的细胞命运［59］。研究发现，神经管类器官在脉冲式维甲酸处理下可自发形成底板信号中心［60］。同样，在脑类器官中，前脑背侧的信号中心也可自发形成［61］。这些信号中心对于适当的组织结构和边界区域的形成是必要的。当器官或组织的祖细胞形成并获得特定的区域特征后，其内在的结构可以进一步塑造组织形态并形成不对称结构。例如，在发育的大脑中，神经干细胞具有从脑室内部延伸到外表面的细长形状。由于神经干细胞的细胞体完全占据了内部的脑室区，更多的分化子细胞被迫向上，实际上它们会利用放射状胶质的细长基底向外迁移到皮层板［62］。这种定位对于形成灰质的正确结构和白质的形成很重要，白质的形成则决定了大脑的正确连接和功能。

另一种可能影响组织形态重排发生的机制是不同细胞类型的分选和空间限制等重组决定的。细胞分选是由不同的细胞类型之间的物理相互作用介导的，如细胞-细胞黏附等，而结构重排是由细胞运动或空间限制变化引起的力学变化介导的。在前体细胞分化为成熟子代细胞的过程中，有限的空间限制了分化子代细胞的分裂方向，使这些子代细胞被迫迁移到特定的位置，造成器官结构中的分层现象［19］。脊椎动物的视网膜发育就是一个很好的例子：神经上皮细胞分化形成一个复杂细胞谱系的过程中，子代细胞在时间和空间上受到限制，进一步产生视网膜的各个组织层［19］。类器官形成的过程中也遵循同样的规律来形成组织结构。研究表明，将Lgr5＋肠干细胞培养在预先构建好的仿生支架凹陷内，可以自发形成小肠隐窝和绒毛的仿生结构，并且肠干细胞可以在仿生的隐窝结构处形成干细胞微环境，维持肠干细胞增殖和分化的能力［63］。