雖然人體在左右軸上是外部對稱的，但大多數內臟器官的形狀和位置都存在顯著的左右不對稱，包括心、肺、肝、胃和大腦。

左右不對稱已知是在早期胚胎發生過程中由稱為左右組織者的一小群細胞建立的。在這個組織者中，活動纖毛(細胞表面的毛發狀結構)快速跳動，形成細胞外液向左流動的方向，這是左右差異的第一個向外標志。

這種早期的流動已被證明是區分左右的關鍵。然而，這種流動是如何被感知并轉化為左右不對稱的還不得而知。

由MGH研究人員領導的一項新研究現在揭示了組織者中的纖毛作為流動的創造者-它們也作為流動施加的生物力學力的傳感器，以塑造發育中的胚胎的左右身體平面。

研究結果發表在《Science》雜志上。

麻省總醫院心血管研究中心研究員、哈佛醫學院醫學助理教授、該研究的資深作者Shiaulou Yuan博士說:“眾多研究小組近25年的研究表明，纖毛和組織者中的流動對于建立身體左右不對稱是絕對必要的。但我們還沒有正確的工具或技術來明確研究這一切是如何工作的。”

為了克服這一挑戰，研究人員利用斑馬魚作為左右發育的模型，并使用了一種由定制的顯微鏡和機器學習分析組成的新型光學工具包。

他們的方法是獨特的，因為他們創新性地使用了光鑷——一種生物物理工具，利用光來保持和移動微觀物體，類似于牽引光束——這是第一次能夠精確地將機械力傳遞到一個完整的、活的動物的纖毛上。

利用這些工具，研究人員發現纖毛是細胞表面的機械傳感器，對于發育中的身體和器官(如心臟)的左右不對稱非常重要。

通過使用光鑷對斑馬魚左右組織者的纖毛施加機械力，他們表明，組織者纖毛的一個子集感知并將流動力轉化為鈣信號，控制斑馬魚的左右發育。

左右不對稱缺陷與許多人類疾病有關，包括異位綜合征、原發性睫狀體運動障礙和先天性心臟病。Yuan說:“從這項研究中收集到的知識不僅促進了我們對控制人體發育的基本細胞過程的理解，還可能為這些疾病的新型診斷開辟新的途徑。此外，這項工作可能為針對纖毛信號和機械感應的靶向治療鋪平道路，以改善結果。”

Yuan和他的同事們繼續研究控制纖毛力感知的分子機制。他們還繼續開發新的策略來可視化和操縱纖毛信號，長期目標是開發治療纖毛相關疾病的新工具。

“這些結果，以及使之成為可能的工具，為胚胎的發育模式提供了一扇新的窗口，也打開了潘多拉的盒子，”南加州大學生物學和生物工程教長教授Scott E. Fraser說，他是這項研究的合著者。“這提醒我們，關于纖毛信號和機械生物學如何影響發育和疾病，我們還有很多東西要學習。”

MGH和哈佛醫學院的其他作者包括Lydia Djenoune, Mohammed Mahamdeh和Christopher Nguyen。其他作者包括南加州大學的Thai V. Truong，以及耶魯大學的Martina Brueckner和Jonathon Howard。

Cilia function as calcium-mediated mechanosensors that instruct left-right asymmetry