斑马鱼神经丘再生中细胞增殖的局部调控机制：基于细胞自动机模型的定量研究

《Journal of Theoretical Biology》：Local control of cellular proliferation underlies neuromast regeneration in zebrafish

本研究针对器官再生过程中细胞增殖如何精确调控这一核心问题，以斑马鱼神经丘为模型，结合细胞自动机模型与实验验证，揭示了局部细胞间负反馈调控机制。研究发现，支持细胞通过感知同类细胞数量（Ss=3，Sm=1）自主终止分裂，首次提出“局部增殖开关”概念，为器官尺度稳态维持提供了新范式。该模型精准预测再生动态，对理解再生医学中比例控制机制具有重要理论意义。

　　

在生命科学领域，器官如何像精密的机械表一样在损伤后自动恢复原状，始终是令人着迷的谜题。斑马鱼侧线系统中的微型感觉器官——神经丘，以其强大的再生能力成为破解这一谜题的理想模型。当神经丘遭遇严重损伤（如激光消融90%细胞）后，残存的少量细胞能在7天内精准重建器官的完整结构和细胞比例，这一过程仿佛有一套隐形的“设计图”在指挥细胞行为。然而，这套“设计图”的本质是什么？细胞是如何感知损伤并同步启动增殖，又在恰到好处的时刻集体停止分裂？传统观点认为全局性信号分子主导这一过程，但Natalia G. Lavalle团队的研究却指向了一个更精妙的局部调控机制。

为揭示这一机制，研究者构建了二维细胞自动机模型（Cellular Potts Model, CPM），通过量化细胞间粘附能（J_ij）、面积弹性（λ_a）和周长约束（λ_p）等参数，成功模拟出稳态神经丘的空间结构。模型引入关键创新点：将细胞分裂概率与同类邻居数量挂钩，提出“增殖开关”假说——当支持细胞（sustentacular cells）被3个以上同类细胞包围（S_s=3），或套膜细胞（mantle cells）遇到0-2个同类邻居（S_m=1）时，细胞自主停止分裂。这一机制如同细胞间的“邻里监督”，通过局部互动涌现出器官尺度的比例控制。

关键技术方法包括：基于Morpheus平台的CPM建模、蒙特卡洛算法优化参数、活体斑马鱼神经丘激光消融与长期显微成像（15分钟/帧，持续3天）、EpySeg软件自动分割细胞边界，并结合细胞类型特异性荧光标记（如cldnb:lynGFP标记细胞膜、alpl:mCherry标记套膜细胞）追踪分裂事件。

3.1 细胞基模型揭示神经丘稳定性条件

通过系统筛选细胞间结合能参数（J_HH, J_SS, J_SM等），发现稳定神经丘需满足：毛细胞与套膜细胞相互排斥（J_HM>0），支持细胞与二者均粘附（J_SH, J_SM<0），且支持细胞同型粘附最强。该参数集与机械应力测算结果一致，验证了模型生物物理合理性。

3.2 无控增殖导致器官过度生长

仅模拟实验观察到的分裂模式（如支持细胞分裂产生毛细胞概率p_HH=16%）时，模型神经丘在损伤后持续扩张无法停止，证实再生必需额外刹车机制。

3.3 差异化增殖开关实现比例控制

当支持细胞与套膜细胞分别采用S_s=3、S_m=1的增殖开关时，模型精准重现实验数据：损伤后20小时出现增殖延迟期，3天内细胞数爆发增长，7天时细胞类型比例（毛细胞≈15个、支持细胞≈40个、套膜细胞≈11个）与原始器官一致。

4.1 延迟分裂与实验观测吻合

模型预测增殖启动需0.8天延迟，与活体成像中首轮分裂发生在损伤后20小时的现象高度一致，提示细胞需经历炎症反应、碎片清除等预处理阶段。

4.2 各向同性再生能力验证

半侧消融或纯套膜细胞消融模拟均显示神经丘能从任意空间配置再生，证明调控机制不依赖特定起始格局。

4.3 邻居数量统计支持模型预测

对分裂前30分钟细胞邻居的定量分析显示，支持细胞平均拥有3个同类邻居，套膜细胞约1个，与模型预测阈值重叠，为“局部增殖开关”提供直接证据。

研究结论表明，神经丘再生核心在于细胞通过感知局部微环境实现自我调控。这种基于细胞邻域规模的“类群体感应”机制，规避了对长程信号梯度的依赖，为理解器官尺寸控制提供了新范式。该模型预测，即使平面细胞极性通路突变体（如vangl2）仍能完成再生，强调拓扑约束相较于分子编码的普适性。未来结合空间转录组学解析邻居信号分子基础，有望揭示更多器官再生通用原则。