人體器官的外部或內部邊界襯有所謂的上皮層。這些是上皮細胞層，它們可以獨立地改變它們的3D形狀——這發(fā)生在生物過程中，例如器官發(fā)育(形態(tài)發(fā)生)、生理平衡(穩(wěn)態(tài))或癌癥形成(致癌作用)。特別令人感興趣的是細胞擠出的過程，其中單個細胞失去其“頂部”或“底部”表面，然后被推出該層。從力學的角度對這一現象缺乏透徹的理解，但現在金澤大學的倉知奧田和藤本光一發(fā)現，純粹的力學原因是細胞擠壓的原因。
機械上，簡單的(單層)上皮片類似于泡沫，可以表示為相互連接的多面體層。Okuda和Fujimoto用這個泡沫模型來描述單層上皮細胞，每個細胞是一個平均體積為v的多面體，每個細胞的特征還在于相鄰細胞的數量n、頂面的面積(“頂面”)和底面的面積(“底面”)。該模型考慮了相鄰細胞間的機械力，得到了上皮細胞總機械能的公式。公式只是幾個參數的函數，包括V和N，以及平面密度和一個叫做銳度的量，可以區(qū)分是否有底面和/或頂面。(消失的頂面意味著基部被擠壓，反之亦然。)通過研究改變這些參數的能量變化，研究人員可以獲得關于上皮板力學的有價值的見解。
Uda和Fujimoto的關鍵發(fā)現是系統(tǒng)表現出固有的機械不穩(wěn)定性：細胞拓撲或細胞密度的微小變化會導致細胞在沒有額外力的情況下被擠出。此外，已經證明經受擠壓的單元在層中產生力，該力可以將其他單元的擠壓引導到層的任一側。
科學家還發(fā)現，該模型的結果與在生物系統(tǒng)中觀察到的結果有許多相似之處，例如不同的上皮幾何形狀(如“玫瑰紅”或偽層狀結構)。
當然，這種模式也有局限性。例如，假設整個工作表和單個單元格的表面是平的，而不是彎曲的。然而，引用研究人員的話來說，“盡管有其局限性，但該模型為理解形態(tài)發(fā)生、穩(wěn)態(tài)和致癌的上皮生理學提供了指導”。
[背景]
上皮細胞
上皮組織是四種人體(或動物)組織之一，位于人體器官和血管的外表面，以及各種內臟器官“空腔”的內表面。一個典型的例子是稱為表皮的皮膚外層。上皮由上皮細胞組成；它可以只是一層上皮細胞(簡單上皮)或兩層或多層(層狀或分層上皮)。金澤大學的倉知奧田和藤本光一現在已經將簡單上皮建模為多面體排列，以研究其機械特性，特別是上皮細胞擠壓的過程。
細胞擠壓
在上皮組織中，發(fā)生了細胞擠壓的過程——上皮細胞被“推出”上皮。細胞擠壓是一個重要的生物學過程，它調節(jié)例如凋亡(死亡)細胞的去除、組織生長和對癌癥的反應。大久田和藤本從機械的角度觀察了簡單的上皮細胞。他們將上皮建模為相互連接的多面體層，發(fā)現細胞擠壓(即多面體的頂面或底面收縮到一個點，然后消失)可以被視為一種純粹的機械特性。由于密度或拓撲結構的微小變化，均質片材固有的不穩(wěn)定性可能導致細胞被擠出。
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