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人体内的器官有复杂的充满液体的管道和环路网络。它们有不同的形状，其三维结构彼此之间的连接方式也不同，这取决于不同的器官。在胚胎发育过程中，器官由一组简单的细胞发展出其形状和组织结构。由于缺乏概念和工具，要了解器官发育过程中的形状和复杂的组织网络是很有挑战性的。

来自德累斯顿的马克斯-普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所（MPI-CBG）和复杂系统物理学研究所（MPI-PKS）以及维也纳的分子病理学研究所（IMP）的科学家现在首次定义了器官发育的指标。在他们的研究中，国际研究团队提供了必要的工具，将器官--微型器官--领域转化为工程学科，以开发人类发展的模型系统。

在发育过程中，细胞的集体互动带来了生物体的成型。不同的器官具有不同的几何形状和不同连接的三维结构，决定了器官中充满液体的管道和循环的功能。一个例子是肾脏的分支网络结构，它支持了血液成分的有效过滤。

在一个活的系统中观察胚胎发育是很难的，这就是为什么很少有概念描述充满液体的管道和环路的网络是如何发展的。虽然过去的研究表明细胞力学如何在生物体的发育过程中诱发局部形状的变化，但不清楚组织的连接性是如何出现的。

神经上皮细胞器的复杂结构是由上皮细胞的融合过程产生的，细胞膜用红色标记，而充满液体的管道用绿色标记。资料来源：Ishihara等人，《自然》（2022）

通过结合成像和理论，研究人员石原启介首先在MPI-CBG和MPI-PKS的Jan Brugues小组开始研究这个问题。后来，他在IMP的Elly Tanaka小组继续工作。Keisuke和他的同事Arghyadip Mukherjee（以前是MPI-PKS的Frank Jülicher小组的研究员）以及Jan Brugués一起，使用了从小鼠胚胎干细胞中提取的器官，这些器官形成了复杂的上皮细胞网络，它们排列在器官上并发挥着屏障作用。

"我仍然记得当我发现一些器官组织转化为具有多个芽的组织，看起来像一串葡萄时的激动时刻。不过，描述发育过程中三维结构的变化被证明是具有挑战性的，"Keisuke回忆并补充说，"我发现这种类器官系统产生了惊人的内部结构，有许多循环或通道，类似于一个有孔的玩具球。"

在类器官中研究组织的发展有几个优点：它们可以用先进的显微镜方法进行观察，使其有可能看到组织深处的动态变化。它们可以被大量生成，环境可以被控制以影响发育。研究人员能够研究上皮细胞的形状、数量和连接性。他们跟踪了有机体内部结构随时间变化的情况。

组织的连通性来自两个不同的过程：要么是两个独立的上皮细胞融合，要么是单个上皮细胞通过融合其两端而自我融合，从而形成一个甜甜圈状的环。研究人员根据上皮细胞表面的理论提出，上皮细胞的不灵活性是控制上皮细胞融合的关键参数，进而控制组织连接性的发展。

该研究的导师Jan Brugues、Frank Jülicher和Elly Tanaka总结说："我们希望我们的发现将导致对复杂的组织结构以及器官发育中形状和网络连接之间的相互作用有一个新的看法。我们的实验和分析框架将帮助类器官社区描述和设计模仿人类器官的自组织组织。通过揭示细胞因素如何影响器官发育，这些结果也可能对那些对组织原理感兴趣的发育细胞生物学家有用"。

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