肠道类器官的力化双稳态实现稳健形态发生

在胚胎发生过程中，模式和形态如何以可重复的方式生成仍然知之甚少。肠道类器官形态发生涉及多种力化学调节因子，包括细胞类型特异性的细胞骨架力和渗透压驱动的管腔体积变化。然而，这些力是否以及如何通过反馈在时间和空间上进行协调以确保稳健的形态发生，目前尚不清楚。在此，我们提出了一个具有局部细胞力学感知的类器官形态发生的最小物理模型，其中管腔体积变化可以通过直接力学（被动）和间接力敏感（主动）机制影响上皮形状。我们展示了细胞骨架张力上的力敏感反馈如何普遍地产生形态双稳态，即膨胀（开放）和出芽（闭合）的隐窝状态都是可能的，并且取决于体积变化的历史。这种双稳态可以解释几个矛盾的实验观察结果，例如管腔收缩时机的重要性以及最终形态发生状态对力学扰动的稳健性。更定量地，我们进行了力学和药理学实验来验证关键的建模假设，并对类器官形态发生做出定量预测。这表明，由细胞张力和流体压力之间的反馈产生的双稳态可能是允许发育系统中多细胞形状变化协调的通用机制。