人體內的器官有復雜的充滿液體的管道和環路網絡。它們有不同的形狀，其三維結構彼此之間的連接方式也不同，這取決於不同的器官。在胚胎髮育過程中，器官由一組簡單的細胞發展出其形狀和組織結構。由於缺乏概念和工具，要了解器官發育過程中的形狀和復雜的組織網絡是很有挑戰性的。

來自德累斯頓的馬克斯-普朗克分子細胞生物學和遺傳學研究所（MPI-CBG）和復雜系統物理學研究所（MPI-PKS）以及維也納的分子病理學研究所（IMP）的科學家現在首次定義了器官發育的指標。在他們的研究中，國際研究團隊提供了必要的工具，將器官–微型器官–領域轉化為工程學科，以開發人類發展的模型系統。

在發育過程中，細胞的集體互動帶來了生物體的成型。不同的器官具有不同的幾何形狀和不同連接的三維結構，決定了器官中充滿液體的管道和循環的功能。一個例子是腎臟的分支網絡結構，它支持了血液成分的有效過濾。

在一個活的系統中觀察胚胎髮育是很難的，這就是為什麼很少有概念描述充滿液體的管道和環路的網絡是如何發展的。雖然過去的研究表明細胞力學如何在生物體的發育過程中誘發局部形狀的變化，但不清楚組織的連接性是如何出現的。

神經上皮細胞器的複雜結構是由上皮細胞的融合過程產生的，細胞膜用紅色標記，而充滿液體的管道用綠色標記。資料來源：Ishihara等人，《自然》（2022）

通過結合成像和理論，研究人員石原啟介首先在MPI-CBG和MPI-PKS的Jan Brugues小組開始研究這個問題。後來，他在IMP的Elly Tanaka小組繼續工作。Keisuke和他的同事Arghyadip Mukherjee（以前是MPI-PKS的Frank Jülicher小組的研究員）以及Jan Brugués一起，使用了從小鼠胚胎幹細胞中提取的器官，這些器官形成了複雜的上皮細胞網絡，它們排列在器官上並發揮著屏障作用。

“我仍然記得當我發現一些器官組織轉化為具有多個芽的組織，看起來像一串葡萄時的激動時刻。不過，描述發育過程中三維結構的變化被證明是具有挑戰性的，”Keisuke回憶並補充說，”我發現這種類器官系統產生了驚人的內部結構，有許多循環或通道，類似於一個有孔的玩具球。”

在類器官中研究組織的發展有幾個優點：它們可以用先進的顯微鏡方法進行觀察，使其有可能看到組織深處的動態變化。它們可以被大量生成，環境可以被控制以影響發育。研究人員能夠研究上皮細胞的形狀、數量和連接性。他們跟踪了有機體內部結構隨時間變化的情況。

組織的連通性來自兩個不同的過程：要么是兩個獨立的上皮細胞融合，要么是單個上皮細胞通過融合其兩端而自我融合，從而形成一個甜甜圈狀的環。研究人員根據上皮細胞表面的理論提出，上皮細胞的不靈活性是控制上皮細胞融合的關鍵參數，進而控制組織連接性的發展。

該研究的導師Jan Brugues、Frank Jülicher和Elly Tanaka總結說：”我們希望我們的發現將導致對複雜的組織結構以及器官發育中形狀和網絡連接之間的相互作用有一個新的看法。我們的實驗和分析框架將幫助類器官社區描述和設計模仿人類器官的自組織組織。通過揭示細胞因素如何影響器官發育，這些結果也可能對那些對組織原理感興趣的發育細胞生物學家有用”。