Поскольку рост ткани и цитоскелеты продуцируют силы, которые делают возможными клеточные перемещения во время морфогенеза, то степень обеспечения клеточных перестроек и деформаций тканей ( т.e., rheological реакции на силы) зависит от свойств материала развивающейся ткани. Такие физические свойства, как жесткость и вязко-эластичность предопределяются с помощью биохимических и биомеханических состояний составляющих и окружающего их ECM. Пространственно-временная регуляция этих свойств тканевого материала, может поэтому руководить морфогенетическими событиями и различными клеточными процессами. Напр. ткани стремятся быть мягкими и схожими с жидкостью во время ранних ст. морфогенеза, но клетки постепенно увеличивают сетчатую структуру из актина и натяжение, это усиливает жесткость и поддерживает архитектуру созревающей ткани.^76-78 Вязко-эластичность ткани в дальнейшем контролируется с помощью cadherin-зависимой адгезии, т.к. сильная межклеточная адгезия может увеличивать вязкость и приводить к пределу текучести ткани (делая её более твердой); тогда как уменьшение адгезии позволяет ткани становиться более текучей.^79-81 В удлиняющейся ткани, такой как во время удлинения оси тела позвоночных, становление пространственного градиента cadherin-обусловленной вязко-эластичности т.о., проводит клетки предшественники через переход от жидкого к солидному состоянию, при этом клетки первоначально допускают перестройки и расширение ткани кзади в жидкость-подобном состоянии, но становятся постепенно зажатыми ("jammed") спереди, чтобы созранять архитектуру ткани.^81,82 Такой механизм может подобным образом функционировать, чтобы управлять удлинением ткани во время черепно-лицевого развития, поскольку дифференциальная вязкость приводит к различиям в интеркаляции клеток, как это наблюдается по время элонгации нижней челюсти.²¹

ECM состоит из протеогликанов и фиброзных белков (напр., коллагенов, фибронектина и ламининов), и его состав и структура передают критическую биохимическую и механическую информацию для осуществления пролиферации клеток, их дифференцировки и перемещений во время развития.⁸³ Адгезия клеток с ECM и сигнальная трансдукция осуществляются в первую очередь посредством ECM белков соединяющихся с трансмембранными гетреодимерными интегриновыми рецепторами, которые являются частью focal adhesions (FAs). В зарождающихся FAs, talin соединяется посредством цитоплазматических хвостов субъединиц β-integrin с актиновым цитоскелетом. Подобно α-catenin в AJs, регуляция конформации и функции talin является механочуствительной. В ответ на оптимальную жесткость субстрата клетки могут развивать большие усилия в FAs за счет усиления актомиозиновой сократимости. Растягивающие силы в FAs затем растягивают талин и обнажают критические участки для связывания винкулина, что механически усиливает связь талин-актин и способствует созреванию FA. Активация интегрина ^84,85 также рекрутирует фокальную адгезионную киназу (FAK) и SRC-киназу, а растягивающие усилия в FAs затем растягивают talin и открывают скрытые сайты для связывания vinculin, что усиливает механически сцепление talin-actin и способствует созреванию FA.^84,85 Активация integrin рекрутирует focal adhesion kinase (FAK) и SRC kinase, которые активируют нижестоящие передачи биохимических сигналов, чтобы регулировать организацию цитоскелета и экспрессию генов.⁸³ FAs, следовательно, позволяют клеткам ощущать и реагировать на механические свойства ECM, и, в свою очередь, клетки могут контролировать жесткость матрикса посредством сократимости актомиозина или посредство модулирования содержимого и поперечных связей ECM.⁸⁶ Один из примеров ECM-управляемого изменения тканевой формы является морфогенез ветвления подчелюстной железы. Некоторые исследования показали, что коллагены и фибронектин накаливаются в точках разветвления^87,88, где сигналы активации integrin посредством FAK и RhoA индуцируют сокращения актомиозина.^89,90 Это приводит к двум последствиям: Во-первых, это усиливает клеточную подвижность, чтобы облегчить ветвление; во-вторых, это реципрокно запускает дальнейшую сборку локального фибронектина для поддержания структуры разветвления и чтобы способствовать клеточной пролиферации.^56,89,90 ECM также может трансдуцировать механические силы ткани, напр., во время инициации миграции клеток цефалического нервного гребня.⁹¹ В этом случае конвергентное удлинение головной мезодермы приводит к повышению плотности клеток и жесткости ткани. Эта информация затем транслируется посредством ECM, чтобы активировать передачу сигналов integrin/vinculin в лежащих поверх клетках нервного гребня и индуцировать их миграцию. ECM т.о., играет важные роли во время черепно-лицевого развития. Принимая во внимание, что ECM и передача сигналов integrin участвуют в морфогенезе некоторых черепно-лицевых структур , которые развиваются из инвагинирующего эктодермального эпителия, включая зубы, глазные, отические и обонятельные плакоды^92-98, вполне вероятно, что изменения механических свойств ECM модулируют поведение клеток, чтобы облегчить их эпителиальную инвагинацию в этих развивающихся органах.

Выше мы рассматривали роль передачи сигналов integrin в восприятии жесткости субстрата и затем превращения этой информации в биохимические сигналы, чтобы регулировать поведение клеток. Др. важным путем механотрансдукции нижестоящим FAs и AJs является передача каскада сигналов Hippo, которая контролирует транскрипцию генов путем регуляции активации и транслокации в ядро транскрипционных кофакторов Yes Associated Protein (YAP) и его паралога WW Domain Containing Transcription Regulator 1 (TAZ)⁹⁹ (Fig. 1). Расположение YAP/TAZ в цитоплазме или ядре (и тем самым из транскрипционной функции) зависит от их состояния фосфорилирования. Когда путь Hippo активен, то некоторые события фосфорилирования приводят к активации LATS1 и LATS2 киназ, которые затем фосфорилируют YAP/TAZ по некоторым аминокислотным остаткам. Это удерживает YAP/TAZ в цитоплазме посредством связывания с белками, ассоциированными с адгезивными комплеексами, такими как 14-3-3 и angiomotin, и способствует деградации YAP/TAZ.^100,101 Напротив, инактивация передачи сигналов Hippo позволяет не фосфорилированным YAP/TAZ накапливаться внутри ядра и действовать вместе с др. транскрипционными факторами, чтобы управлять экспрессией генов, которые регулируют пролиферацию и дифференцировку клеток. Необходимо отметить, что др. киназы, включая FAK и SRC, также могут непосредственно фосфорилировать YAP/TAZ,^102,103 и разные сигнальные механизмы могут использоваться для контроля функции YAP/TAZ. Биохимически, talin-вызываемое натяжение, воспринимаемое в FAs, позволяет клеткам реагировать на жесткость субстрата и запускать зависимую от actomyosin активацию YAP.^104,105 После привлечения integrin, FAK и SRC могут дополнительно передавать сигналы посредством PI3K, чтобы ингибировать LATS1/2 и индуцировать локализацию в ядре YAP.¹⁰⁶ Силы, предаваемые посредством FAs также способны непосредственно деформировать ядро, делая возможным проникновение в ядро YAP через растянутые ядерные поры.¹⁰⁷ Помимо FAs, AJs также являются важными местами для интеграции механических сигналов с передачей сигналов Hippo. Напр., при низкой плотности клеток, зависимое от натяжения рекрутирование LIM доменовых белков Jub (у Drosophila) или LIMD1 и TRIP6 (у млекопитающих) в AJs запускает формирование комплексов LATS1/2 на AJs, ингибируя тем самым функцию LATS1/2 и способствуя активности YAP.^108,109 Путем анализа мышиных мутантов с орган-специфической делецией Yap, было показано, что YAP очень необходим для развития некоторых черепно-лицевых структур, включая краниальный нервный гребень, зубы и нёбо.^110-112 Однако, действительно ли YAP опосредует механические сигналы, чтобы контролировать аспекты их формирования, еще предстоит исследовать.

Помимо клеточных соединений, механические силы также обнаруживаются чувствительными к механическим воздействиями ионными каналами, такими как белки семейства Piezo (Piezo1 and Piezo2), а мутации в Piezo2 известны как причина некоторых черепно-лицевых синдромов.¹¹³ Функция Piezo белков обеспечивается реакцией на давление и механически деформированные клеточные мембраны, чтобы открывать их поры для притока положительно заряженных ионов, таких как Ca2+, которые в свою очередь активируют нижестоящую передачу Ca2+-зависимых сигналов.¹¹⁴ Piezo каналы, т.о., позволяют клеткам в ткани ощущать напорные усилия (crowding forces) и контролировать плотность клеток посредством вытеснения клеток,¹¹⁵ и модулировать пролиферацию и дифференцировку стволовых клеток в ответ на механические изменения в ткани.^116,117 Механочувствительность посредством Piezo белков также взаимодействует с передачей сигналов Hippo²¹, но как эти пути координируются, чтобы вызывать специфические клеточные реакции во время развития - область будущих исследований.

Как механические силы и свойства тканей контролируют морфогенез органов и клеточную дифференцировку является важным вопросом и некоторые черепно-лицевые структуры послужили в качестве модели для исследований этих вопросов. Эти исследования привели к парадигме, что описываемая механическая регуляция разных морфогенетических событий, также как и интеграция биохимических сигналов обеспечивают эти процессы.

Фарингеальные дуги являются временными метамерными структурами, состоящими из мезенхимной сердцевины и наружного одиночного слоя эпителия, которые формируются на каждой из сторон развивающеся головы у мышей примерно на день эмбриогенеза 8-8.5 (E8-8.5).^118,119 Вместе с фронто-назальным выпячиванием в медиальном аспекте головы, эти структуры подвергаются интенсивному росту и морфологическим изменениям, чтобы в конечном итоге дать лицо и шею животных. Среди них первая фарингеальная дуга (также наз. нижнечелюстной дугой) подразделяется на дорсально расположенное верхнечелюстное выпячивание и вентрально расположенное нижнечелюстное выпячивание на ст. E9.5. Когда верхнечелюстной отросток позднее образует верхнюю челюсть и небо, то нижнечелюстной отросток становится предшественником нижней челюсти. Эпителий, ассоциированный с этими выпячиваниями, дает др. черепно-лицевые структуры, включая зубы и слюнные железы. Неправильное развитие нижнечелюстной дуги может вызывать многие черепно-лицевые аномалии с дефектами лица и нижней челюсти.¹²⁰

Инициальный морфогенез нижнечелюстной дуги у мышей связан с элонгацией ткани и изгибанием в направлении срединной линии между E8.5 и E9.5. Во время элонгации нижнечелюстная дуга также приобретает морфологию, характеризующуюся узкой центральной средней частью и дистальным луковицеобразным регионом. Т.к. пролиферация клеток и жизнеспособность безусловно необходимы для роста дуги ,^121-123, то как изменения объема ткани могут управлять её удлинением, изучено недостаточно. Однако, т.к. длина клеточного цикла одинаков во всей средней и дистальной части нижнечелюстного отростка, само по себе количество которых не отвечает за инициальный морфогенез нижнечелюстного выпячивания.²¹ На уровне регуляции передачи сигналов, не-канонический Wnt лиганд Wnt5a, как было установлено, обязателен для роста инкапсулированной в эпителий мезенхимной ткани, такой как нижнечелюстная дуга и зачаток конечности.¹²⁴ Мутации в Wnt5a т.о., могут вызывать черепно-лицевые аномалии (и укороченные конечности) как у мутантных мышей, так и пациентов с синдромом Robinow.¹²⁵ Функционально, Wnt5a регулирует полярность клеток и контролирует направление клеточных перемещений и ориентированных клеточных делений, чтобы обеспечить удлинение ткани.^15,126,127 В центральном сегменте развивающегося нижнечелюстного отростка, Wnt5a действует, как стоящий выше YAP/TAZ и чувствительного к механическим воздействиям Ca2+ канала, Piezo1, чтобы индуцировать полярность актомиозина и осцилляции кортикального натяжения , как показано с помощью измерений генетически кодируемого vinculin tension sensor²¹ (Fig. 2). Это снижение локальной тканевой вязкости и облегчает клеточные интеркаляции для осуществления конвергентного удлинения дуги. Средняя часть дуги, как полагают, более текучая "liquid-like". В дистальной части дуги, снижение клеточной перестройки жескости ткани, которое было продемонстрировано путем измерения смещения магнитных кусочков в средней и дистальной областях дуги с использованием магнитных щипчиков.¹²⁸ Кроме того, дистальная часть дуги экспрессирует более высокие количества fibronectin, который также обладает медио-латеральной угловой склонностью. Такая пространственная изменчивоть количества и ориентации в ECM может в принципе вносить дальнейший вклад в регуляцию свойств материала дуги и направленного перемещения клеток.¹²⁸

Fig. 2 Branchial arch elongation. In the developing mandibular arch, Wnt5a acts upstream of YAP and Piezo1 to control cell polarity and cortical tension oscillations in the middle segment of the arch. This results in increased cell intercalation and tissue fluidity, driving arch elongation. In comparison, the distal arch is stiffer as a result of reduced cell movement and increased deposition of fibronectin

Морфология зубов удивительно разнообразна у разных видов позвоночных, но их развитие у всех начинается с формирования dental lamina, которая различается по толщине эпителия рта, как мест будущих зубов.¹²⁹ У мышей развитие зубов начинается приблизительно на ст. E11, когда наслаивается dental lamina и инвагинирует, чтобы сформировать зубные плакоды.¹³⁰ Стратифицированный зубной эпителий затем растет далее в подлежащую, происходящую из нервного гребня мезенхиму и прогрессирует посредством все увеличивающихся сложных морфологических изменений в течение времени вплоть до прорезывания зубов. Отличия в форме зубного эпителия используются для наименования каждой ст. развития зубов : зачаток (E12.5-13.5), шапочка (cap) (E13.5-E15), колокол (E15-postnatal day 7) (Fig. 3). У взрослых поверхность коронок зубов из эмали, которая генерируется амелобластами, происходящими из зубного эпителия во время развития. Ниже эмали находится дентин, который откладывается одонтобластами, происходящими из нервного гребня, и заключает пульпу зуба и нейроваскулярные пучки в ней.¹³¹ Поскольку зубы относительно простые структуры во время раннего развития и подходят для ex vivo получения вживую изображений, мышиные зубы стали прекрасной системой для изучения клеточного поведения и ассоциированных биомеханических импульсов, управляющих изгибанием эпителия.¹³² это позволило открыть взаимодействия реципрокных передач сигналов между зубными эпителием и мезенхимой,¹³¹ обеспечив исчерпывающее понимание того, как механические и биохимические сигналы работают сочетанно, чтобы регулировать клеточные движения, деления и выбор судеб во время развития зубов.

Fig. 3 Mechanical regulation of the developing molar. The tooth epithelium undergoes progressive shape changes during its development. a At the lamina stage, cells in the epithelial monolayer extend centripetally oriented protrusions to migrate vertically and push neighboring cells towards the mesenchyme (vertical telescoping). Concurrently, vertical cell divisions contribute to epithelial delamination and generation of suprabasal cells. b, c During the placode and bud stages, suprabasal cells organize their actomyosin cables in the planar orientation and cells (dark green) intercalate towards the center of the bud to generate planar contractile stresses. This mechanically seals the top of the tooth bud and facilitates epithelial invagination by bringing the connecting basal layer cells (light green) towards the center. Concomitantly, mesenchymal cells condense around the dental epithelium and increased compressive stress due to cellular crowding triggers mesenchymal differentiation. d The cap shape is postulated to arise as a result of differential tissue growth between the enamel knot (EK) and non-EK epithelium. Basal constriction has also been observed in basal cells neighboring the EK, potentially resulting in the upward buckling of those cells. e Mechanical constraints from the alveolar bones play a role in establishing the alignment offsets between the lingual and buccal cusps. Solid blue arrows represent force directions and gradient arrows represent cell or tissue movements

Подобно др. происходящим из эктодермы органам, зубной эпителий начинается как эпителиальный монослой, который сначала изгибается в направлении мезенхимы, а затем стратифицируется.¹³³ поскольку апикальные сужения ответственны за изгибание некоторых эпителиальных органов,¹³⁴ зубная плакода четко использует иной механизм, т.к. отсутствует апикальная локализация актомиозина и клетки имеют цилиндрическую форму без апикальных сужений.¹³⁵ Вместо этого клетки зубного эпителия у мышей подвергаются процессу, наз. "vertical telescoping", когда клетки отсылают определенным образом ориентированные (centripetally) апикальные выпячивания, которые толкают своих центрально расположенных соседей и коллективно деформируют эпителий вниз.¹³⁵ Формирование этих выпячиваний зависит от полимеризации и ветвления актина и нуждается как в hedgehog (Hh), так и в передаче сигналов fibroblast growth factor (FGF), т.к. химическое ингибирование любого из этих процессов уменьшает количества выпячиваний и устраняет инвагинацию эпителия. Тот же самый механизм таже делает возможной инвагинацию слюнных желез эпителиального монослоя.¹³⁵ При развитии моляров инвагинации эпителия сопровождаются вертикальными клеточными делениями, чтобы продуцировать suprabasal клетки и функции передачи сигналов FGF, как необходимые сигналы для индукции клеточной пролиферации и стратификации эпителия.¹³⁶ Увеличение объема ткани в suprabasal пространстве может теоретически вызывать давление, необходимое для будущего изгибания эпителия. Однако, чтобы направить это давление на управление лишь инвагинацией, необходимы физические барьеры, чтобы осуществлять апикально ограниченный прогиб ткани вверх. Это частично достигается с помощью планарно-ориентированного натяжения ткани в suprabasal клетках, которые обладают выраженными актомиозиновыми пучками на надклеточном уровне в том же самом направлении, что и натяжение.¹³³ Доказательства тканевого натяжения были продемонстрированы с помощью серии экспериментов по механическому рассечению, в которых первоначально напряженные ткани должны были отпрянуть от точки разреза. Напр., после надреза, сделанного в середине молярного suprabasal слоя у мышей, разрезанные ткани отдергивались в противоположных направлениях и степень эпителиального изгиба снижалась, указывая на присутствие сократительных сил, облегчающих инвагинацию. Дополнением к этой находке стали надрезы, сделанные вне зубного эпителия, которые приводили к дополнительному изгибанию эпителия, поскольку suprabasal сокращения боле не оказывали сопротивления. Напротив, ели надрезы делались сначала в suprabasal слое, чтобы ослабить локальное натяжение, и которое сопровождалось боковым разрезом вне зубного зародыша, то отдергивания не наблюдалось. Сходным образом, если боковой разрез приходился на ткани, культивируемые в присутствии Blebbistatin, который подавляет функцию MyoII, то отдергивания также не наблюдается. Эти результаты показывают, что зависимые от актомиозина контракции эпителия являются обязательными для процесса инвагинации зубов.

По мере увеличения в объеме молярной плакоды и постепенной трансформации в форму зачатка, то части suprabasal слоя продолжают сужаться и формируют область шейки, которая соединяет зачаток с поверхностным эпителием. Полученные изображения вживую молярного зачатка у мышей показали, что это возникает в результате конвергентного удлинения типа клеточного движения.¹³³ В этом контексте suprabasal клетки мигрируют в направлении центра плакоды и интеркалируют одна с др. В то же самое время базальные клетки по краю плакоды прикреплены к своим соседям и присоединены к соседним suprabasal клеткам посредством E-cadherin, тащат самих себя в направлении центра плакоды. В целом, эти движения генерируют, довольно сильную контракцию планарной ткани, которая не только уплотняет (seals) верхушку зубной плакоды, но и также толкает базальные клетки в район шейки в направлении др. др. вызывая её ущемление, эффективно управляя прогибом эпителия в направлении мезенхимы.

На E12.5 развития зубов у мышей зачаток зуба одновременно индуцирует подлежащую мезенхиму к конденсации. Мезенхимные клетки мигрируют в направлении инвагинирующего эпителия в ответ на дально-действующий химический аттрактант FGF8, испускаемый зачатком зуба, который также продуцирует SEMA3F, коротко-действующий отталкивающий сигнал, чтобы усиливать компакцию мезенхимы с помощью эпителия.¹³⁷ Давление сжатия из-за тесноты клеток, как полагают, действует как механический сигнал, чтобы инициировать дифференцировку мезенхимных клеток, в результате сдавливания разделенная мезенхима нижней челюсти в культуре способствует экспрессии одонтогенных маркеров Pax9 и Msx1. Теснота клеток во время конденсации также модулирует состав ECM путем индукции экспрессии коллагена VI.⁹³ Присутствие структурно организованного ECM безусловно важно для поддержания дифференцировки мезенхимы, т.к. химическое подавление lysyl oxidase, которая катализирует поперечные связи коллагена и тем самым регулирует жесткость ECM, приводит к уменьшению мезенхимной конденсации, а также к экспрессии Pax9.⁹³ Следовательно, конденсацией вызываемая компрессия и изменения свойств ECM вносят вклад в регуляцию одонтогенеза. Остется неясным, действительно ли мезенхимные конденсации и связанные с этим свойства материала также создают механические сигналы, чтобы контролировать развитие лежащего поверх эпителия.

Переход эпителия от ст. зачатка к ст. шапочки между E13 и E13.5 у мышей совпадает с формированием зубного сигнального центра, известного как первичный enamel knot (EK).^138,139 EK состоит из группы пост-митотических клеток, которые специализированы на секрецию сигналов, экспрессируют разные лиганды, включая sonic hedgehog (SHH), bone morphogenetic proteins (BMPs) и FGFs, которые поддерживают пролиферацию и непрерывное увеличение эпителия, окружающего EK (наз. cervical loop).¹⁴⁰ Форма шапочки, как полагают, возникает в результате дифференциальной пролиферации между неделящимся EK и пролиферирующими соседними цервикальными петлями.¹⁴¹ Подтверждение этой идеи получено при отслеживании развития культивируемых моляров на слайдах, которые показали более высокие скорости роста в эпителии, соседствующем с EK, чем в самом EK.¹⁴² Компьютерное моделирование в комбинации с этими экспериментальными данными с учетом физических ограничений, касающихся менее пролиферативной мезенхимы и дифференциальной адгезии между мезенхимой и эпителием, предсказывают, что зачаток зуба, контролируемый этими факторами, чтобы обеспечить прогиб в презумптивной области цервикальной петли и рост вниз от этого места.^142-144 Неожиданно химическое подавление клеточной пролиферации на культуральных срезах не препятствовало морфогенезу перехода зачаток-к-шапочке,¹⁴⁵ , подтвердив, что поскольку дифференциальная пролиферация может вносить вклад в форму шапочки, она фактически не нужна для этого процесса. Независимые от пролиферации механизмы д. существовать, чтобы инициировать изменения формы при переходе bud-to-cap. Один из возможных механизмов, как полагают, базальные сужения клеток на любой из сторон от EK.¹⁴⁵ Перед ст. шапочки myosin heavy chain IIB и actin пучки накапливаются на базальной поверхности клеток, которые соседствуют с формирующимся EK. Количественная оценка формы этих клеток в разные временные моменты развития между E13.5 и E15.5 у мышей далее показала, что они приобретают со временем пониженную толщину основания.¹⁴⁵ Как результат, вполне возможно, что контракции напряженного актомиозина на базальной поверхности окружения EK и управляет эвагинацией внутреннего зубного эпителия прочь от мезенхимы, создавая тем самым форму шапочки. Однако, это нуждается в дальнейшем экспериментальном подтверждении. В том же исследовании было показано, что подавление передачи сигналов FAK устраняет переход bud-to-cap¹⁴⁵ и тем самым вообще региональную активацию передачи сигналов integrin/FAK посредством взаимодействий между эпителием и мезенхимой, важных для оформления эпителия на этой ст. В то же самое время, принимая во внимание, что формирование EK зависит от α-catenin-обеспечиваемого подавления активности YAP,¹⁴⁶ было бы интересно исследовать, как тканевые силы генерируются изменениями клеточной формы, такими как базальные контракции, описанные выше, регулируя локализацию YAP и активность по контролю дифференцировки EK.

Между ст. шапочки и колокола цервикальный шейки инвагинируют глубже в мезенхиму и это может механически воздействовать за счет актин-зависимой повышенной клеточной активности и ориентированных клеточных делений вдоль оси увеличивающегося эпителия.¹⁴² Во время ст. колокола развитие моляров мышей между E15.5 и E16.5, первичный EK подвергается апоптозу и формируются вторичные EKs.^142,147-149 Вторичные EKs играют важную роль в предопределении местоположения зубных выступов и морфологии коронки у зубов со многими выступами.¹⁵⁰ В зубах с одним выступом, таких как резцы, образуется только один EK. Механические сжатия от альвеолярной кости, которая окружает развивающиеся моляры, по-видимому, играет роль в становлении количества offsets (или их расположении) между языковыми и щечными выступами (cusps).¹⁵¹ Это происходит когда моляры мышей и полевок культивируются как ex vivo экспланты без окружающей кости, тогда они теряют свой offset паттерн, но могут его восстановить при боковом сжатии, накладываемом на них искусственным механическим сдавливанием. Томография мягких тканей также показывает, что морфология и рост моляров строго связаны с этими альвеолярными костями, подчеркивая одновременное развитие этих тканей и возможное механическое взаимное воздействие, обусловленное их тесной близостью. У diphyodont животных (животных, которые сначала имеют молочные зубы, которые позднее замещаются постоянными зубами), таких как миниатюрные свиньи, давление сжатия, обусловленное альвеолярной скованностью, также участвует в определении времени активации развития постоянных зубов из состояния ареста.¹⁵² Напряжение при сжатии генерируется в результате того, что молочные зубы растут быстрее, чем расширяются альвеолярные ложа и действуют как механический сигнал для индукции оси передачи сигналов integrin β1-ERK1-RUNX2 в соседнюю мезенхиму, которая в свою очередь содержит в подвешенном состоянии эпителий постоянных зубов в стадии ареста. Как только сдавливание прекращается после удаления зуба, передача сигналов integrin β1-ERK1-RUNX2 снижается и постоянные зубы начинают развиваться.

Эти исследования в целом подчеркивают важность тканевых сил во время морфогенеза зубов и подчеркивают необходимость учитывать эти механические факторы. Напр., разработка гидрогеля, который воспроизводит эластичный модуль зубной ткани, поддерживает формирование biomimetic зачатков зубов из первичных зубных клеток свиней.¹⁵³ Когда мы будем знать больше, как механические сигналы контролируют развития зубов, то будут предложены очень утонченные механические манипуляции на базе новых биоинженерных платформ с использованием фотохимии и оптогенетики, которые облегчат пространственно-временной контроль благодаря свойствам гидрогеля¹⁵⁴ и клеточным силам.¹⁵⁵ Путем воссоздания механических микроусловий и биохимических-механических сигнальных взаимодействий, наблюдаемых при развитии зубов, мы будем способны более точно управлять пролиферацией клеток зубных предшественников и дифференцировки в культуре и создании биоинженерных зубов правильной формы и архитектуры. Наконец, т.к. зубная мезенхима четко реагирует на механические сигналы,^137,156,157 то глубокое понимание механических модификаторов, влияющих на выбор ими решения, то потенциал будет реализован полностью путем создания базирующейся на стволовых клетках терапии и регенерации ткани.

Нёбо формирует крышу рта млекопитающих и физически разделяет ротовую полость от носовой полости. Анатомически нёбо состоит из первичного и вторичного нёба; первичное нёбо соответствует треугольной области между резцовым отверстием и альвеолярным гребнем, окружающим верхние резцы, а вторичное нёбо представлено остатками твердой и мягкой пластинки сзади. первичное и вторичное нёбо имюет разное эмбриологическое происхождение. В то время как первичное нёбо происходит из фронто-назального выпячивания в ростральной передней части рта, вторичное нёбо развивается из выростов из ротовой поверхности парных верхнечелюстных отростков на каждой из сторон рта. Эти выросты в основном состоят из мезенхимы, происходящей из краниального нервного гребня и окружающего слоя ротового эпителия.¹⁵⁸ У мышей выросты вторичного нёба становятся видимы примерно на ст. E11.5, отмечая начало палатогенеза. Между E11.5 и E13.5, половинки вторичного нёба увеличиваются в размере и сначала растут вертикально по отношению к нижней челюсти по сторонам языка, в то же время они обнаруживают стереотипическую морфологию, которая отличается вдоль передне-задней оси. С E13.5 по 14.5, развивающееся вторичное нёбо характеризуется подъемом нёбных створок и переориентацией их из вертикального в горизонтальное положение выше языка. Две нёбные створки затем растут в направлении др. др. и приходят в контакт по срединной линии. Оказывающиеся бок о бок эпителиальные выстилкизатем сливаются, чтобы сформировать эпителиальный шов по срединной линии (MES), который маркирует начало сливания нёбных половин приблизительно на ст. E14.⁷⁵. MES постепенно дезинтегрируется и мезенхимные половинки нёба становятся единой структурой . В то же самое время вторичное нёбо сливается с первичным нёбом впереди и с носовой перегородкой спереди и дорсально, чтобы сформировать полностью нёбо на ст. E17.¹⁵⁹ Т.о., развитие нёба связано с серией скоординированных тканевых перемещений и моделирований, которые достигают кульминации соединением первоначально разделенных тканей. Нарушение этого процесса может быть обусловлено мутациями или внешне-средовыми факторами, приводя к расщеплению нёба, одному из наиболее частых черепно-лицевых врожденных дефектов у людей.¹⁶⁰ Напр., мутации в Tgfb3 или Irf6 затрагивают собственно распад MES и эпителиальную адгезию, приводя в результате к неспособности слияния нёба у людей и мышей.^161-165 Фактически, мутации в Irf6 наиболее распространенная причина расщепления губы и/или нёба у людей.¹⁶⁶

Множественные аспекты палатогенеза, как известно, нуждаются в скоординированной генерации сил на уровне клеток и тканей, чтобы направлять их перемещения (Fig. 4). Во время подъема нёбных половинок передние их части подвергаются быстрому маху вверх , приводящему половинки из их вертикального положения к горизонтальной позиции; тогда как медиальные и задние части нёбных половинок достигают подъема путем контролируемого тока и организации клеток, меняющих форму ткани.^167,168 Т.к. точный механизм остается неизвестным, многие физические свойства, такие как альтерации в плотности мезенхимных клеток,¹⁶⁹ региональные изменения пролиферации,¹⁷⁰ и ремоделирование ECM и цитоскелета,^171,172, как полагают, генерируют подъемные силы. Напр., у Osr2 нулевых эмбрионов мыши, у которых подъем створок задерживается, пролиферация редуцируется специфическим образом в медиальных половинах направленных вниз нёбных выростов.¹⁷⁰ Сходные фенотипы также наблюдались у мутантных эмбрионов с кондиционной делецией Fgfr1 в клоне краниального нервного гребня.¹⁷³ Снижение пролиферации в теории может нарушать горизонтальную экспансию нёбных половинок и влиять на увеличение анизотропного давления, которое управляет изменениями половинок. Др. возможный участник в подъеме нёбных половинок является ремоделирование ECM. Одним из основных компонентов ECM нёбных створок является гликозаминогликан hyaluronic acid (HA), которая составляет около 60% от массы ECM.¹⁷⁴ перед подъемом створок HA накапливается в небной мезенхиме и было предположено, что гидратация HA увеличивает объем ECM и создает давление, необходимое для подъема нёбных пластинок.^175,176 Эта идея недавно была подвергнута сомнению в экспериментах по подавлению синтеза HA особенно в мезенхиме створок посредством Osr2-Cre-обусловленной кондиционной делеции Has2 (кодирующего hyaluronic acid synthase 2).¹⁷⁷ У этих мутантов нёбные половинки были редуцированы в размере и испытывали задержку, но обеспечивали полный подъём половинок. Было также показано, что в то время как накопление HA необходимо от природы для экспансии небных половинок перед их подъемом, это не единственный источник генерации подъемных сил. Интересно, что эмбрионы с делецией Has2 в обеих половинках и нижнечелюстной мезенхиме или только в нижнечелюстной мезенхиме, обнаруживают гипоплазию нижней челюсти, а также неспособность к подъему половинок, это может быть устранено путем культивирования мутантной верхней челюсти без нижней челюсти и языка.^177,178 Следовательно, нижняя челюсть и язык также нуждаются в HA для их правильного морфогенеза, это собственно обеспечивает подъем нёбных половинок. Будучи аномальными эти структуры остаются физическими препятствиями и вторичным блоком для подъема половинок. Напротив, силы. генерируемые гидратацией HA в небных половинках могут помочь в преодолении инициальной блокады с помощью языка во время нормального палатогенеза, позволяя нёбу смещаться дорсальнее языка своевременным способом; хотя эти силы не нужны для действительного подъема половинок.^178,179

Fig. 4 Mechanical regulation of palatal shelf elevation and fusion. Palatal shelves elevate either through a swinging motion (black arrows) or cell reorganizations (yellow arrows). Increased hydration and ECM expansion due to hyaluronic acid (HA) accumulation in the mesenchyme, ECM remodeling, and actomyosin tension have all been postulated to provide the elevating forces. Palatal fusion takes place at the midline epithelial seam (MES). Actomyosin tension is required to promote epithelial cell convergence (green cells and arrows) towards the midline and the subsequent cell displacement (black gradient arrows) towards the periphery. Actomyosin contractility and signaling through Piezo1/2 facilitate the formation of cellular rosettes (brown cells) and cell extrusion (red cell), leading to the removal of MES cells. Lastly, the actin cables at the edge of the MES contract and contribute to MES breakage. P, palatal shelf; T, tongue

Организация коллагена также, по-видимому, важна для подъема нёбных половинок, т.к. делеция коллагенового crosslinker, lysyl oxidase-like 3 (LOXL3) приводит к неспособности подъема.¹⁸⁰ Сходным образом, у мутантных эмбрионов мышей отсутствие кофакторов транскрипции YAP и TAZ в нёбной мезенхиме, приводит к задержке подъема и экспрессии Loxl4, который кодирует др. белок семейства lysyl-oxidase family, LOXL4, а также к задержке экспрессии коллагеновых белков.¹¹² Эти результаты подчеркивают важность ремоделирования ECM во время палатогенеза, хотя механистическая регуляция остается важным открытым вопросом. Кроме того, принимая во внимание роль YAP/TAZ в механотрансдукции,¹⁰⁴ оказывается вполне возможным, что YAP/TAZ могут быть частью механистической петли обратной связи, которая воспринимает и модулирует механические свойства развивающегося нёба. Необходимо отметить, что специфичная для хряща делеция Yap/Taz с использованием Col2a1-Cre также приводит к расщеплению нёба у мышей, возможно из-за уродливости хряща Meckel's , который предупреждает собственно опускание (descent) языка.¹⁸¹ Однако, т.к. активность Col2a1-Cre фактически обнаруживается в субнаборе мезенхимы в задней части нёба на ст. E12.5, а мутантные нёбные половинки неспособны к подъему и сливаются в культивируемых эксплантах всей верхней челюсти без нижней челюсти и языка,¹¹² , поэтому функции нижней челюсти и языка по физическому блокированию подъема половинок нуждаются в дальнейшем исследовании. Наконец, помимо HA и коллагенов, некоторые и др. молекулы, ECM также, как было установлено, экспрессируются в ткани развивающегося нёба. Напр., Tenascin-C и Tenascin-W преимущественно экспрессируются в медиальной порции мезенхимы половинок перед их подъемом, в принципе внося вклад в дифференциальные механические свойства вдоль медио-латеральной оси ткани.¹⁷¹ Сеть tenascin также сопровождает актиновые пучки и длинную ось ядер, которая ориентирована в направлении nasomedial стенки поднимающихся средней и задней частей нёбных половинок. Эти наблюдения, т.о. подтверждают, что контрактильность актомиозина и свойства тканевого материала могут играть важную роль в формировании средней и задней частей нёбных половинок во время подъема. Будущие исследования определят функциональные потребности в базирующихся на актомиозине клеточных силах переориентации нёбных половинок и роль свойств тканевого материала в модуляции этого процесса.

Поскольку ECM играет важную роль во время подъема небных половинок, апоптоз и actomyosin-управляемая экструзия (выталкивание) клеток выступают как интегральная часть слияния нёбных половинок. В последнее время получена важная информация о клеточных процессах, облегчающих слияние нёбных половинок. Предложные три возможных механизма, управляющих распадом MES: (1) эпителиально-мезенхимный переход (EMT),^182-185 (2) апоптическая гибель клеток,^186-188 и (3) миграция клеток.^189,190 Среди них апоптоз вообще-то, является одним из наиболее изученных механизмов удаления MES. Когда нёбные половинки приходят в контакт по срединной линии, то запускается апоптоз в MES и происходит передача сигналов ретиноевой кислоты и Tgfβ3, а также функционирует Irf6, которые являются критическими для индукции апоптоза в клетках MES и слияния нёбных половинок.^187,191-194 В соответствии с этими результатами 45% из Bok-/-;Bax-/-;Bak-/- тройных нокаутных мышей имели прирожденно заблокированный апоптоз, приводящий к полному расщеплению нёба.¹⁹⁵ Однако, слияние по MES специально не изучали, поэтому остались вопросы, действительно ли аномальный фенотип нёба вызван дефектами этой ступни палатогенеза или ткане-неавтономными эффектами.

Как тогда регуляция апоптоза интегрирована с клеточными процессами, которые управляют слиянием эпителиальных клеток во время формирования MES? Это частично достигается с помощью управляемых натяжением актомиозина клеточной конвергенцией и экструзией. Изображения вживую мутантных мышей с кондиционной делецией non-muscle myosin heavy chains IIA и IIB в эпителии нёба показали, что контрактильность актомиозина необходима для клеточных интеркаляций в направлении срединной линии, в результате смещаются клетки от центра первоначально мультислойного MES в направлении ротовой поверхности.¹⁹⁶ Сходным образом, во время подавления MyoII вышестоящих регуляторов, ROCK и myosin light chain kinase (MLCK), в культуре эксплантов также блокирует клеточные взаимодействия и слияние нёбных половинок.¹⁹⁶ Следовательно, натяжение актомиозина делает возможными скоординированные клеточные перестройки, способствующие истончению эпителия. Напротив, т.к. многие клетки сдвигаются в направлении периферии MES, они д. испытывать повышенную давку и д. активно выталкивать клетки из эпителия. В этом контексте зависимое от актомиозина формирование клеточных розеток облегчает экструзию как апоптических, так и жизнеспособных клеток, а механочувствительные Piezo ионные каналы, как было установлено, способствуют этому процессу, возможно в ответ на увеличение плотности клеток.¹⁹⁶ Клеточные силы, генерируемые с помощью контракций актомиозина, поэтому являются критическими для слияния нёбных половинок на многих уровнях.

Позднее вследствие слияния вторичного нёба, давление, генерируемое сосанием детей, также связано с формированием временной хрящевой структуры, подобной ростовой пластинке в середине шва нёба, которая оссифицируется в первую очередь посредством внутримембранозной оссификации.¹⁹⁷ Используя моделирование конечных элементов, компьютерные паттерны генерируемые сосанием деформирующие и гидростатические напряжения в нёбе коррелируют с паттерном экспрессии хондрогенных генов. Кроме того, разные части структуры нёба обладают отличающимися механическими свойствами,¹⁹⁷ согласующимися с пространственно-временной регуляцией разных белков ECM во время паталогенеза.¹⁷² Итак, было продемонстрировано, что силы разного типа и на разных шкалах регулируют многие аспекты развития нёба.

Развитие нижней челюсти впервые обнаруживается, когда мезенхимные клетки, происходящие из краниального нервного гребня дифференцируются в хондроциты и формируют палочко-образный хрящ, известный как хрящ Meckel's примерно на ст. E12.5 у мышей.¹⁹⁸ Meckel's хрящ затем увеличивается в длину на обоих концах хряща. В то же самое время мезенхимные клетки, соседствующие с хрящом Meckel's начинают конденсироваться и дифференцироваться в остеобласты, которы подвергаются внутримембранозной оссификации, чтобы сформировать ряд костных тканей, которые впоследствии накладываются поверх постепенно дегенерирующего Meckel's хряща. Функционально Meckel's хрящ, по-видимому, не нужен для первоначального формирования нижней челюсти, т.к. оссификация нижней челюсти происходит и в отсутствие Meckel's хряща, как у нулевых эмбрионов Sox9.¹⁹⁹ Однако, мутантная Sox9 нижняя челюсть оказывается меньших размеров, указывая тем самым, что Meckel's хрящ может контролировать размер и форму нижней челюсти во время её развития.²⁰⁰ В соответствии с этим, пониженная механическая целостность деформированного Meckel's хряща у Ctgf нулевых мышей ведет к укорочению нижней челюсти.¹⁹⁹

На проксимальном конце нижней челюсти TMJ связывается кость челюсти с височной костью черепа и это делает возможными движения и жевание. TMJ включает мыщелковую головку нижней челюсти и нижнечелюстную ямку на височной кости; обе возникают в результате эндохондральной оссификации. Фиброзный суставной диск подразделяет TMJ на два компартмента, разделяющие мыщелок и ямку. Развитие TMJ начинается на ст. E13.5, когда мезенхимные клетки конденсируются, чтобы сформировать бластему мыщелка и ямки височной кости, которые затем растут в направлении др. др. до тех пор, пока не образуется диск, разделяющий конденсаты на ст. E16.5. Вторичный хрящ мыщелка также соединяет развивающуюся нижнюю челюсть и продуцирует новые косточки, которые обеспечивают непрерывный рост нижней челюсти.

Подобно многим костям тела позвоночных морфогенез челюсти и TMJ тесно связан с функциями мышц. Поэтому не удивительно, что механические силы являются важными модификаторами развития нижней челюсти и морфологии у эмбрионов и постнатально в соответствии с правилом Wolff's,²⁰¹, которое гласит, что форма и структура кости зависит от функциональных сил мышц. У эмбрионов мышей движение челюсти начинается на ст. E14 , а ограничение подвижности челюсти с помощью exo utero suturing челюсти на ст. E15.5 приводит к формированию более меньшего суставного диска и к более короткой, но толстой нижней челюсти на ст. E18.5 в результате снижения пролиферации предшественников хондроцитов и аномальной дифференцировки хондроцитов в TMJ и хряще мыщелка.^202,203 Во время развития кости обратная связь между Indian hedgehog (Ihh) и Parathyroid hormone-related peptide (PTHrP) является центральной в регуляции пролиферации хондроцитов и их экспрессия подавляется в хряще мыщелка закрепленной нижней челюсти.²⁰⁴ Интересно, что экспрессия Ihh может быть индуцирована с помощью cyclic stress в культивируемых хондроцитах,²⁰⁵ подтверждая, что регуляция транскрипции Ihh является механочувствительной и может отвечать на механические стимулы, чтобы токо контролировать рост кости во время развития нижней челюсти. У рыбок данио, мышечные функции также оказываются сцеплены с развитием челюстного сустава, т.к. иммобилизация мышц посредством анестезии вызывает дисморфологию сустава челюсти, особенно в регионах высокого компрессирующего давления.^206,207 В этом контексте передача сигналов Wnt активируется механическими стрессами и биохимически передает механические сигналы, чтобы регулировать пролиферацию, миграцию, интеркаляцию и клеточную морфологию хондроцитов , чтобы сформировать форму Meckel's хряща и челюстного сустава.²⁰⁸

Мышечные силы продолжают формировать очертания нижней челюсти и после рождения. Напр., размеры мышц и сила укуса связаны с изменениями формы нижней челюсти у людей, а у пациентов со сниженной функцией мышц развиваются изменения морфологии черепа,²⁰⁹ а пациенты с сниженной функцией мышц дают измененную черепно-лицевую морфологию.²¹⁰ Сходным образом, снижение жевательной нагрузки у мышей путем кормления их жидкой пищей приводит к наследованию через поколение изменений формы нижней челюсти, хотя точный механизм неизвестен.²¹¹ В соответствии с этими наблюдениями изменения механических сил, оказываемых на нижнюю челюсть и мыщелковый хрящ путем питания животных жидкой пищей, уменьшает их зубы или принудительное открытие рта, влияют на биологию хондроцитов у нескольких разных модельных животных.^212-218 Эти исследования показали, что механические усилия необходимы для осуществления пролиферации хондроцитов, поддержания адекватной дифференцировки и поддержка продукции ECM. Подобно развивающейся нижней челюсти, экспрессия Ihh также реагирует на механическую нагрузку в мыщелковом хряще взрослого человека,²¹⁹, подчеркивая общий механизм, который способен продолжать адаптивные изменения в росте нижней челюсти, чтобы менять механическое окружение. Важно, т.к. первичные реснички, как было установлено, необходимы для активации передачи сигналов Ihh в ответ на гидростатическое сжатие в первичных эпифизарных хондроцитах²²⁰, поэтому первичные реснички существенны для коррекции развития TMJ,²²¹ было бы интересно в будущем оценить действительно ли первичные реснички могут обеспечивать механические сигналы, чтобы контролировать пролиферацию хондроцитов в нижней челюсти.

Различия в механических нагрузках приводят в результате к дифференциальному паттерну мышц, что имеет и эволюционные последствия. Напр., при сравнении эмбрионов перепела и кур, относительно более крупные нижнечелюстные adductor мышцы у эмбрионов уток генерируют видо-специфические механические условия, которые передают сигналы посредством передачи сигналов FGF и TGF β, чтобы индуцировать образование специфичного для уток coronoid отростка для вставки adductor на кости нижней челюсти.^68,222 Др. пример, потеря суставного диска в TMJ у млекопитающих без потери зубов и соотв. изменений жевательных мышц.^223,224 У однопроходных, таких как утконос, примордиальный диск формируется, но остается незрелым и сходный фенотип наблюдается у мутантных мышей с сильно уменьшенной краниальной мускулатурой из-за делеции Tbx1 в мезодерме.²²⁵ Как результат видо-специфические мышечные силы могут участвовать в эволюционных изменениях формирования диска в TMJs.