生物电对组织力学的影响：膜电位对鸡胚胎体节变形能力的作用

《Developmental Biology》：Bioelectric control of tissue mechanics: Effect of membrane potential on somite deformability in chick embryos

膜电位通过调控体节形成细胞刚度影响鸡胚胎体节形成速率与生长同步性，化学微环境刺激（CO?/KCl）显示Vm变化与细胞硬度呈负相关，揭示机械信号转导是Vm调控体节发育的重要机制。

　　

Manohara Mahadeva|Sebastian Niest?pski|Magdalena Kowacz

波兰科学院动物繁殖与食品研究所生殖免疫学与病理学系，波兰奥尔什丁10-748

摘要

体节分裂是早期胚胎发育过程中的一个关键步骤，其中体节出现的时机和体节生长必须精确协调。我们最近的研究发现，膜电位（V_m）是控制体节形成和生长速率的关键因素。然而，V_m调节体节形成的具体机制仍不清楚。在这项研究中，我们使用鸡胚胎观察到，V_m的变化与体节形成细胞的硬度变化有关，这种变化既发生在自然发育过程中，也发生在引入外界刺激后。随着发育的进行，体节逐渐发生超极化并变得更硬。除了成熟过程中的这些变化外，能够诱导去极化的化学微环境会使体节形成细胞变软，而导致超极化的化学环境则会增加其硬度。这种生物力学性质对V_m变化的响应与体节发育阶段无关。我们的结果表明，体节变形能力的变化与V_m的变化之间存在线性相关性，这表明之前观察到的V_m依赖性的体节形成速率变化可能与细胞硬度的变化有关。这些发现表明，细胞力学是V_m影响体节形成过程的重要因素，因为它将外部化学信号转化为细胞内的机械信号。

引言

体节形成是一个有节奏的过程，其特征是组织块（称为体节）以特定的周期性进行分裂，这种周期性因组织和物种而异（Carraco等人，2022年）。为了保持整体身体大小的比例，体节分裂必须与相应的体节生长精确协调（Dale和Pourquié，2000年；Pourquié，2003年）。这一严格调控的发育过程涉及细胞迁移、自我组装、增殖和分化。胚胎发育和组织再生过程中的细胞迁移和模式形成已被证明受膜电位（V_m）的控制（Fukumoto等人，2005年；Levin，2012年；Nishiyama等人，2008年；Ozkucur等人，2011年）。此外，V_m的变化还可以改变细胞增殖和分化的速率（Blackiston等人，2009年；Cone和Tongier，1971年）。在我们最近的研究中，我们发现通过诱导去极化可以同步改变体节形成的速度（细胞迁移/自我组装），而超极化则会减慢这些过程的速度（Mahadeva等人，2025年）。然而，V_m控制细胞迁移/自我组装和增殖的机制尚未完全明了。众所周知，高度增殖的细胞（如胚胎细胞和肿瘤细胞）比静止细胞更倾向于去极化（Binggeli和Weinstein，1986年；Yang和Brackenbury，2013年）。除了去极化外，增殖细胞比分化细胞更柔软（Chowdhury等人，2010年）。细胞硬度在胚胎发育中起着重要作用，因为它调节细胞分裂（Fujii等人，2021年），驱动组织形态形成（Huang等人，2024年），并促进器官形成（Majkut等人，2013年；Thompson等人，2019年）。细胞硬度主要由细胞骨架调节，细胞骨架是由蛋白质纤维组成的动态网络，为细胞提供结构支持和机械稳定性。细胞骨架由三种主要的细胞内纤维组成：肌动蛋白纤维、微管和中间纤维。其中，肌动蛋白纤维更具动态性，在决定细胞硬度方面起关键作用（Jalilian等人，2015年）。研究表明，肌动蛋白纤维的聚合状态的变化可以调节细胞硬度（Kasas等人，2005年；Oberleithner等人，2009年；Rotsch和Radmacher，2000年；Salker等人，2016年）。有趣的是，V_m参与了肌动蛋白细胞骨架的调节，V_m的变化会导致肌动蛋白纤维的重组，从而影响细胞硬度（Callies等人，2011年；Chifflet等人，2004年；Chifflet等人，2003年）。V_m的增加还与组织密度的升高相关（Mukherjee等人，2024年），这与在细胞水平上起作用的细胞骨架共同调节组织硬度（Koser等人，2015年；Koser等人，2016年；Shyer等人，2017年）。V_m的增加可能是由于细胞内生物量浓度的增加（Kay，2017年；Mukherjee等人，2024年）或发育过程中细胞质成分的合成导致的，这也可能导致细胞硬度增加（Guo等人，2017年）。V_m不仅反映了组织密度的变化，还对其进行调节，超极化抑制细胞增殖并稳定组织结构，而去极化则促进增殖和组织扩张（Mahadeva等人，2025年；Mukherjee等人，2024年）。此外，我们的研究表明，胚胎细胞迁移受V_m调控，而细胞硬度的变化也调节细胞迁移（Marchant等人，2022年）。因此，在这项工作中，我们旨在确定V_m是否在早期胚胎发育过程中影响体节的变形能力，并通过这种方式控制早期身体模式形成的基本事件，正如我们最近的研究结果所揭示的（Mahadeva等人，2025年）。为此，我们使用微吸管技术测量了修改V_m后的鸡胚胎前后轴上体节形成细胞的变形能力。CO₂和KCl被用作外部刺激来改变体节形成细胞的V_m，从而改变体节出现和生长的时机（Mahadeva等人，2025年）。我们的发现表明，诱导去极化会使体节形成细胞变软，而超极化会增加它们的硬度。此外，我们的结果还显示，体节变形能力的变化与V_m的变化直接相关，这表明V_m可能通过改变体节形成细胞的机械性质在调节体节形成过程中起关键作用。

小节片段

鸡胚胎中体节形成细胞的膜电位对外部刺激的反应

为了研究V_m是否影响胚胎细胞的力学特性，我们使用外部刺激（CO₂和KCl）修改了体节形成细胞的V_m，并测量了体节的变形能力。在本节中，我们展示了所有体节阶段（SS）在外部刺激下的V_m变化（方法，图1）。我们发现，随着体节的成熟，V_m的负值逐渐增加。除了这种总体上的超极化趋势外，我们还观察到特定体节之间的V_m出现阶梯状变化

结论

本研究表明，鸡胚胎前后轴上的体节硬度逐渐增加，这与V_m的负值增加相关。V_m不仅反映了体节硬度随发育的自然变化，似乎还主动调节这种组织硬度，而且这种调节不受体节成熟阶段的影响（在研究的发育窗口内）。通过调整胚胎细胞微环境的化学组成，我们

胚胎培养和样本制备

受精的鸡卵（Ross 308）在37.5°C、湿度为2%、5%（对照组）和7%的CO₂的条件下培养，直到达到所需的发育阶段，即Hamburger-Hamilton阶段9到11（8到13对体节）（Hamburger和Hamilton，1992年）。根据Venters（Venters等人，2008年）描述的方法对体节进行计数和分级，其中体节阶段（SS）用罗马数字表示。新分裂的体节对标记为SSI

CRediT作者贡献声明

Magdalena Kowacz：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法学，研究，资金获取，正式分析，概念化。Sebastian Niest?pski：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，项目管理，方法学，研究，正式分析。Manohara Mahadeva：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿

未引用的参考文献

Mahadeva等人，2024年；Rustarazo-Calvo等人，2026年；Rühl等人，2024年。

资助

这项工作得到了波兰国家科学中心（项目编号2020/38/E/NZ3/00039）的资助。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

我们感谢Jan Jankowski教授以及AWB Spó?ka Fermowa公司（地址：Wola Szyd?owska 44, 06-561 Stupsk）、Ferma Drobiu Trzcianka Kolonia 39和Turza Ma?a 45a提供的受精鸡卵，感谢Raquel P. Andrade教授在鸡胚胎培养和提取技术方面的培训。我们还要感谢胚胎学团队，特别是Izabela Woc?awek–Potocka教授允许我们使用微吸管拉拔器和微型锻造仪器。