随着大脑的发育，神经元会长出称为轴突的长延伸结构。这些结构连接大脑的不同区域，并在大脑内部以及全身传递信号。为了建立这些连接，轴突必须沿着非常特定的路径穿过脑组织。它们的旅程依赖于化学信号以及周围环境的物理特性。
到目前为止，科学家们尚未完全理解这两种引导方式如何协同工作。一个国际研究团队发现，脑组织的硬度可以控制重要信号分子的产生。这项发表在《自然·材料》上的研究揭示了大脑中机械力与化学信号之间的直接联系。这一发现也可能帮助研究人员更好地理解其他器官的发育，并最终可能催生新的医疗策略。
化学信号与物理线索协同工作
多年来，科学家们已知化学信号引导组织生长和排列。信号分子的梯度就像方向指示，帮助细胞移动到正确位置并发育。
最近的研究表明，组织硬度等物理因素也会影响细胞的行为。然而，这些机械线索与化学信号之间的关系仍不清楚。理解两者如何相互作用对于解释大脑等复杂组织在发育过程中如何形成至关重要。
研究揭示组织硬度控制关键大脑信号
来自马克斯·普朗克物理与医学中心（MPZPM）、埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希·亚历山大大学（FAU）和剑桥大学的研究人员使用非洲爪蟾（一种广泛应用于发育生物学的模式生物）研究了这个问题。他们的实验表明，组织硬度可以调节重要化学引导信号的生产。
这一过程由一种名为Piezo1的机械敏感蛋白控制。由Kristian Franze教授领导的团队发现，当组织硬度增加时，细胞开始产生那些正常情况下在该区域不存在的信号分子。其中一个例子是引导分子Semaphorin 3A。值得注意的是，只有当Piezo1水平足够高时，才会出现这种反应。
“我们没想到Piezo1既能作为力传感器，又能作为大脑化学景观的雕塑师，”研究共同第一作者、欧洲分子生物学实验室（EMBL）博士后研究员Eva Pillai说。“它不仅检测机械力——还帮助塑造引导神经元生长的化学信号。这种大脑物理世界与化学世界之间的联系，为我们理解大脑发育提供了全新的思路。”
Piezo1也有助于维持组织结构
研究人员还发现Piezo1影响脑组织本身的物理稳定性。当Piezo1数量减少时，包括NCAM1和N-cadherin在内的重要细胞粘附蛋白水平下降。这些蛋白对于维持细胞间接触至关重要——它们将细胞粘合在一起。
“令人兴奋的是，Piezo1不仅帮助神经元感知环境——它还帮助构建环境，”研究共同第一作者、FAU和MPZPM博士后研究员Sudipta Mukherjee说。他和Pillai都是剑桥大学的博士生，该项目正是在那里启动的。“通过调节这些粘附蛋白的水平，Piezo1使细胞保持良好连接，这对于稳定的组织结构至关重要。环境的稳定性又反过来影响化学环境。”
结果表明，Piezo1发挥两个重要作用。它作为一个传感器，将来自周围环境的机械信号转化为细胞反应。同时，它作为一个调节器，帮助组织组织本身的机械特性。
对发育和疾病的意义
这些发现可能对发育生物学和医学研究具有广泛意义。神经元生长错误与先天性和神经发育障碍有关。此外，组织硬度与癌症等疾病也有关联。
通过证明机械力可以塑造化学信号，这项研究为组织如何形成和运作提供了新见解。它也指出了疾病研究和潜在治疗的新方向。
“我们的工作表明，大脑的机械环境不仅仅是一个背景——它是发育的积极导演，”资深作者Kristian Franze说。“它不仅直接调节细胞功能，还通过调节化学景观间接影响。这项研究可能引发我们对化学信号思考方式的范式转变，对从早期胚胎发育到再生和疾病等许多过程都有影响。”
研究人员还发现，组织硬度可以长距离影响化学信号，影响远离机械力起源点的细胞行为。总体而言，该研究强调机械力是发育和器官功能的一个强大调节器。
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