日科研团队发现新型细胞力学通讯机制
奈良先端科学技术大学院大学（NAIST）先端科学技术研究科生物科学领域松井貴辉副教授（生命科学研究基盘中心、Medi...
奈良先端科学技术大学院大学（NAIST）先端科学技术研究科生物科学领域松井貴辉副教授（生命科学研究基盘中心、Medilux研究中心）、别所康全教授（生命科学研究基盘中心），物质创成科学领域山田壮平特任助教（现为弘前大学大学院理工学研究科助教）、安國良平助教（现为大阪工业大学工学部副教授）、细川陽一郎教授（Medilux研究中心），以及京都大学医学研究科藤田恭之教授组成的联合研究团队，发现了一种新型细胞调控机制：细胞通过相互传递机械力，协同清除异常或衰老细胞，从而维持组织结构的稳定与功能完整性。
人体上皮组织作为机体内外环境的屏障，持续经历细胞更新。其中衰老或损伤的细胞通过程序性死亡（即凋亡，注1）被识别并清除，这一过程对维持组织稳态至关重要。在凋亡过程中，死亡细胞被主动排出上皮层，称为“凋亡细胞排除（ACE）”。本研究揭示，在ACE过程中，钙离子（Ca²⁺）浓度会短暂上升，形成可在细胞间传递的钙波（注2），该钙波通过协调周围细胞的集体运动，促进凋亡细胞的排出。
传统观点认为，钙波在细胞间的传播依赖于“间隙连接”（注3）所形成的直接通道。然而，本研究团队发现，即使缺乏间隙连接，钙波仍可在上皮细胞间传递。进一步的机制解析表明，这种钙波传播是由细胞间的力学作用驱动的连锁反应。具体而言，濒死细胞发生收缩，对周围细胞施加机械拉力，该力学刺激激活相邻细胞膜上的机械敏感钙通道（MCC，如Piezo1与TRPC1；注4），促使钙离子内流。此反应依次传播，使钙信号以波的形式在整个组织中扩散。
此外，研究还证实，钙波不仅是引导细胞定向迁移的信号，更协调了细胞群体的协同运动，共同推动死亡细胞向外排出。在此过程中，细胞群体产生的集体作用力约为每平方厘米10克力（相当于1千帕斯卡，1kPa），从而有效维护上皮结构的完整性。这一发现揭示了“力学信号与钙信号协同作用”在维持细胞社会秩序中的核心机制。
本研究成果已于2025年11月17日发表于《Nature Communications》（DOI: 10.1038/s41467-025-65474-9）。
研究亮点
首次揭示不依赖间隙连接的钙波传播机制，提出机械信号可作为细胞间通讯的新媒介。
明确钙波在协调细胞集体运动中的指令作用。
提出维持组织稳态的新原理，为研究癌症浸润、创伤修复与再生医学提供新视角。
社会意义
本研究提出“细胞通过力学相互作用维持组织秩序”的新概念，开创了基于力学—信号耦合的医学生物学研究范式。未来，通过干预细胞间的力学信息传递，有望开发出抑制癌细胞浸润或促进组织再生的新型治疗策略。
研究背景与目标
钙波作为一种基础性细胞间通讯方式，广泛参与受精、胚胎发育、创伤愈合等重要生理过程。细胞内钙信号的调控涉及多种通道，包括电压门控通道、机械敏感通道（如Piezo1）及TRP家族通道等。传统上认为细胞间钙波传递依赖于间隙连接。
上皮组织在维持屏障功能的同时，需持续应对细胞死亡与损伤。ACE机制可在排出死亡细胞的同时维持上皮完整性。近年研究表明，机械敏感通道（如Piezo1）参与该过程，然而钙波如何通过力学刺激在细胞间传递及其生物学意义尚不明确。
因此，本研究以斑马鱼（注6）胚胎上皮为模型，构建活体成像系统，结合飞秒激光（注7）诱导单细胞凋亡，系统解析ACE过程中钙波的传递机制及其与机械感受性钙通道（MCC）和内质网钙释放受体（IP₃R，注5）的关联。
研究内容
研究团队建立了斑马鱼胚胎上皮的活体成像体系，利用飞秒激光精准诱导上皮中单个细胞发生凋亡，并实时记录钙离子动态。结果显示，以凋亡细胞为起点，钙波可逐级传播至周围细胞（图1）。即使阻断间隙连接，钙波仍可传递，提示存在新型传播途径。
进一步机制研究表明，机械敏感钙通道（Piezo1与TRPC1）与内质网IP₃受体协同参与钙波的级联传递。该钙波不仅作为化学信号，更引导周围细胞发生极性重排与协同迁移，最终产生约1 kPa的集体作用力，将凋亡细胞排出上皮层（图2）。由此可见，细胞通过“力学—钙信号耦合”机制，实现凋亡细胞的识别与清除，从而维持组织稳态。
未来展望
本研究揭示了一种新型的细胞间通讯机制，即通过力学信号传递实现细胞群体协同。该机制不仅对上皮稳态维持至关重要，也可能参与癌症转移、创伤愈合、组织再生等广泛生理与病理过程。
未来，团队将深入解析力学信号与钙波异常在癌症、衰老相关疾病中的作用，并致力于开发靶向机械—钙信号轴的新型治疗策略与再生医学应用。
人体上皮组织作为机体内外环境的屏障，持续经历细胞更新。其中衰老或损伤的细胞通过程序性死亡（即凋亡，注1）被识别并清除，这一过程对维持组织稳态至关重要。在凋亡过程中，死亡细胞被主动排出上皮层，称为“凋亡细胞排除（ACE）”。本研究揭示，在ACE过程中，钙离子（Ca²⁺）浓度会短暂上升，形成可在细胞间传递的钙波（注2），该钙波通过协调周围细胞的集体运动，促进凋亡细胞的排出。
传统观点认为，钙波在细胞间的传播依赖于“间隙连接”（注3）所形成的直接通道。然而，本研究团队发现，即使缺乏间隙连接，钙波仍可在上皮细胞间传递。进一步的机制解析表明，这种钙波传播是由细胞间的力学作用驱动的连锁反应。具体而言，濒死细胞发生收缩，对周围细胞施加机械拉力，该力学刺激激活相邻细胞膜上的机械敏感钙通道（MCC，如Piezo1与TRPC1；注4），促使钙离子内流。此反应依次传播，使钙信号以波的形式在整个组织中扩散。
此外，研究还证实，钙波不仅是引导细胞定向迁移的信号，更协调了细胞群体的协同运动，共同推动死亡细胞向外排出。在此过程中，细胞群体产生的集体作用力约为每平方厘米10克力（相当于1千帕斯卡，1kPa），从而有效维护上皮结构的完整性。这一发现揭示了“力学信号与钙信号协同作用”在维持细胞社会秩序中的核心机制。
本研究成果已于2025年11月17日发表于《Nature Communications》（DOI: 10.1038/s41467-025-65474-9）。
研究亮点
首次揭示不依赖间隙连接的钙波传播机制，提出机械信号可作为细胞间通讯的新媒介。
明确钙波在协调细胞集体运动中的指令作用。
提出维持组织稳态的新原理，为研究癌症浸润、创伤修复与再生医学提供新视角。
社会意义
本研究提出“细胞通过力学相互作用维持组织秩序”的新概念，开创了基于力学—信号耦合的医学生物学研究范式。未来，通过干预细胞间的力学信息传递，有望开发出抑制癌细胞浸润或促进组织再生的新型治疗策略。
研究背景与目标
钙波作为一种基础性细胞间通讯方式，广泛参与受精、胚胎发育、创伤愈合等重要生理过程。细胞内钙信号的调控涉及多种通道，包括电压门控通道、机械敏感通道（如Piezo1）及TRP家族通道等。传统上认为细胞间钙波传递依赖于间隙连接。
上皮组织在维持屏障功能的同时，需持续应对细胞死亡与损伤。ACE机制可在排出死亡细胞的同时维持上皮完整性。近年研究表明，机械敏感通道（如Piezo1）参与该过程，然而钙波如何通过力学刺激在细胞间传递及其生物学意义尚不明确。
因此，本研究以斑马鱼（注6）胚胎上皮为模型，构建活体成像系统，结合飞秒激光（注7）诱导单细胞凋亡，系统解析ACE过程中钙波的传递机制及其与机械感受性钙通道（MCC）和内质网钙释放受体（IP₃R，注5）的关联。
研究内容
研究团队建立了斑马鱼胚胎上皮的活体成像体系，利用飞秒激光精准诱导上皮中单个细胞发生凋亡，并实时记录钙离子动态。结果显示，以凋亡细胞为起点，钙波可逐级传播至周围细胞（图1）。即使阻断间隙连接，钙波仍可传递，提示存在新型传播途径。
进一步机制研究表明，机械敏感钙通道（Piezo1与TRPC1）与内质网IP₃受体协同参与钙波的级联传递。该钙波不仅作为化学信号，更引导周围细胞发生极性重排与协同迁移，最终产生约1 kPa的集体作用力，将凋亡细胞排出上皮层（图2）。由此可见，细胞通过“力学—钙信号耦合”机制，实现凋亡细胞的识别与清除，从而维持组织稳态。
未来展望
本研究揭示了一种新型的细胞间通讯机制，即通过力学信号传递实现细胞群体协同。该机制不仅对上皮稳态维持至关重要，也可能参与癌症转移、创伤愈合、组织再生等广泛生理与病理过程。
未来，团队将深入解析力学信号与钙波异常在癌症、衰老相关疾病中的作用，并致力于开发靶向机械—钙信号轴的新型治疗策略与再生医学应用。
