研究揭示了自然界使用的新几何形状来有效地包装细胞

随着胚胎的发育，组织弯曲成复杂的三维形状，导致器官。上皮细胞是该过程的构建块，例如形成外层皮肤。它们还排列所有动物的血管和器官。这些细胞紧紧地包在一起为了适应胚胎发育期间发生的弯曲，已经假设上皮细胞采用柱状或瓶状形状。

然而，一群科学家深入研究了这一现象，并在此过程中发现了一种新的几何形状。

他们发现，在组织弯曲期间，上皮细胞采用先前未描述的形状，使细胞能够最小化能量使用并最大化包装稳定性。该团队的研究结果将发表在Nature Communications的一篇名为“Scutoids是上皮细胞三维包装的几何解决方案”的论文中。

该研究是Luis M. Escudero(西班牙塞维利亚大学)和Javier Buceta(美国利哈伊大学)团队之间的美国 - 欧盟合作的结果。Pedro Gomez-Galvez和Pablo Vicente-Munuera是这项工作的第一批作者，其中还包括安达卢西亚发育生物学中心和Severo Ochoa分子生物学中心的科学家等。

Buceta及其同事首先通过使用Voronoi图表的计算建模发现了这一发现，Voronoi图表是一种用于理解几何组织的工具。

“在建模过程中，我们看到的结果很奇怪，”Buceta说。“我们的模型预测，随着组织曲率的增加，柱子和瓶子形状不是细胞可能形成的唯一形状。令我们惊讶的是，额外的形状甚至没有数学名称!一个通常没有为新形状命名的机会。“

该组织将新形状命名为“scutoid”，因为它与盾片 - 昆虫胸部或腹部的后部相似。

为了验证模型的预测，该小组研究了不同动物的不同组织的三维包装。实验数据证实，上皮细胞采用与计算模型预测相似的形状和三维填充图案。

使用生物物理方法，该团队认为，scutoids稳定三维填料，使其具有能量效率。正如Buceta所说：“我们已经解开了大自然的解决方案，以实现有效的上皮弯曲。”

他们的研究结果可以为理解上皮器官的三维组织铺平道路，并导致组织工程的进步。

“除了形态发生的这一基本方面外，”他们写道，“未来设计组织和器官的能力严重依赖于理解和控制细胞三维组织的能力。”

Buceta补充说：“例如，如果你想种植人造器官，这个发现可以帮助你建立一个支架来鼓励这种细胞包装，准确地模仿大自然有效发育组织的方式。”

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