新技术揭示了参与生物组织形成和生长的细胞力量

　　布朗大学的一组研究人员开发了一种技术，使用微小的聚合物球体来感知身体组织形成和生长时的作用力。

　　布朗大学研究人员开发的一项新技术揭示了生物组织形成和生长过程中细胞水平上的作用力。这项技术可能有助于更好地理解这些过程是如何工作的，并有助于研究它们对环境毒素或药物治疗的反应。

　　正如该杂志所描述的那样，该技术利用了由高度柔顺的聚合物材料制成的细胞大小的球体，可以将其放置在实验室培养的组织形成细胞中。随着组织形成过程的展开，用荧光染料染色的球体的显微镜成像显示了它们在周围细胞的压力下变形的程度。然后，一个计算算法利用这种变形来计算在细胞微环境中起作用的力。

　　这项研究是达林的实验室和Haneesh Kesari的实验室合作进行的，Haneesh Kesari是布朗大学的工程助理教授，也是固体力学专家。达林和研究生罗伯特·古铁雷斯开发了这种球体，并用它们进行细胞培养实验，而凯萨里和研究生方文强开发了计算力的计算算法。

　　这些球体是由一种叫做聚丙烯酰胺的聚合物制成的。这些球体对新形成的组织的行为没有明显的影响，达林说，聚丙烯酰胺材料具有高度一致和可调的机械性能，这使得制造足够柔软的球体成为可能，当暴露在细胞力下时可以测量变形。

　　“关键是要有一种高度可控的材料，具有非常精确的形状以及精细调整和均匀的机械刚度，”Kesari说。“如果我们知道球体的性质，那么我们就可以拍摄它们的形状如何变化的照片，并推算出产生这些变化所需的力。”

　　作为概念的证明，研究人员进行了一系列实验来测量参与间充质凝聚的力——干细胞聚集在一起并最终分化成组织特异性细胞类型的过程。这个过程对牙齿、骨骼、软骨和其他组织的形成至关重要。

　　在一项实验中，研究小组将力感应球放在细胞培养物中，这些细胞聚集在一起形成多细胞球。每小时拍摄一次培养物的显微镜图像，持续14小时，使团队能够跟踪每种培养物中涉及的力随时间的变化。实验表明，在过程的前5个小时左右，参与间质冷凝的力是高度可变的，然后才稳定下来，形成一个更稳定的力剖面。研究人员说，这是第一次测量这样的力动力学。

　　为了验证这些球体真的对细胞力敏感，研究小组用细胞骨架抑制剂(一种削弱细胞内微小收缩马达的药物)处理过的培养物重复了这个实验。不出所料，在用药物处理的培养物中，球体检测到的力明显减弱。

　　在另一组实验中，研究人员将传感器球体添加到预制的细胞团块中，以观察球体如何被吸收到团块中。一些球体被涂上了胶原蛋白涂层，使细胞能够与传感器结合，而另一些则没有被涂上。

　　达林说:“我们能够看到涂有涂层和未涂有涂层的球体之间的力分布差异。”“总的来说，有一个很大的压缩力，但有了涂层细胞，我们可以看到细胞直接与球体相互作用，拉动它们并施加张力。”

　　达林说，他希望这项技术能够揭示组织形成过程的基本细节。在未来，它也可能被用来筛选旨在调节这些过程的药物，或测试环境毒素的影响。它在组织工程中也很有用。

　　达林说:“如果我们想要生长软骨，了解这些细胞相互施加的力的类型可能会有所帮助，因为我们可能能够施加与这种力相匹配或互补的外力。”“因此，除了基础发现之外，我认为这在未来还有一些转化潜力。”