德累斯頓工業(yè)大學(xué)和加州大學(xué)圣巴巴拉分校卓越生命物理集群的一個(gè)研究小組揭示了細(xì)胞在胚胎發(fā)生過程中構(gòu)建組織時(shí)如何感知其機(jī)械環(huán)境。

構(gòu)建組織和器官是細(xì)胞在胚胎發(fā)生過程中必須完成的最復(fù)雜和最基本的任務(wù)之一。在這項(xiàng)集體任務(wù)中，細(xì)胞通過各種交流方式進(jìn)行交流，包括生化信號(類似于細(xì)胞的嗅覺)和機(jī)械信號(細(xì)胞的觸覺)。幾十年來，各種學(xué)科的研究人員一直對細(xì)胞通信著迷。Otger教授Campàs和他來自Technische Universit?t德累斯頓和加州大學(xué)圣巴巴拉分校(UCSB)的生命物理學(xué)(PoL)卓越集群的同事們現(xiàn)在已經(jīng)能夠解開另一個(gè)圍繞細(xì)胞如何利用它們的觸覺在胚胎發(fā)生過程中做出重要決定的問題的謎團(tuán)。他們的論文現(xiàn)已發(fā)表在《自然材料》雜志上。

在他們的論文中，研究人員報(bào)告了活胚胎中的細(xì)胞如何機(jī)械地測試環(huán)境，以及它們感知到的機(jī)械參數(shù)和結(jié)構(gòu)?！拔覀儗?xì)胞如何感知和響應(yīng)培養(yǎng)皿中的機(jī)械線索有很多了解。然而，它們的微環(huán)境在胚胎中是完全不同的，我們不知道它們在活組織中感知到什么機(jī)械線索，”組織動力學(xué)主席兼PoL董事總經(jīng)理Campàs說。

機(jī)械治療幫助細(xì)胞做出重要的決定，比如是否分裂、移動甚至分化，干細(xì)胞通過分化過程變成更特化的細(xì)胞，能夠執(zhí)行特定的功能。先前的研究表明，放置在合成基質(zhì)上的干細(xì)胞在很大程度上依賴機(jī)械信號來做出決定:表面硬度類似于骨骼的細(xì)胞變成了成骨細(xì)胞(骨細(xì)胞)，而表面硬度類似于腦組織的細(xì)胞變成了神經(jīng)元。這一發(fā)現(xiàn)極大地推動了組織工程領(lǐng)域的發(fā)展，因?yàn)檠芯咳藛T利用這些機(jī)械線索來制造合成支架，以誘導(dǎo)干細(xì)胞發(fā)育成預(yù)期的結(jié)果。這些支架今天被用于各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

從培養(yǎng)皿到活胚胎

然而，培養(yǎng)皿并不是細(xì)胞的天然棲息地。在構(gòu)建有機(jī)體的過程中，細(xì)胞不是與平板中的合成支架接觸，而是與三維的復(fù)雜生命材料接觸。

在過去十年中，Campàs教授的研究小組發(fā)現(xiàn)了在胚胎復(fù)雜組織中引導(dǎo)細(xì)胞的機(jī)械線索。利用他實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種獨(dú)特技術(shù)，研究人員可以以類似于細(xì)胞的方式探測活組織，并找出細(xì)胞所感知的機(jī)械結(jié)構(gòu)。Campàs說:“我們首先研究了細(xì)胞在分化時(shí)如何機(jī)械地測試它們的微環(huán)境，并在分化時(shí)構(gòu)建脊椎動物的體軸?！薄凹?xì)胞使用不同的突起來推動和拉動環(huán)境。所以我們量化了他們推的速度和強(qiáng)度。”他們將鐵磁油滴插入正在發(fā)育的細(xì)胞之間，并將其置于受控磁場中，他們能夠模擬這些微小的力，并測量細(xì)胞周圍環(huán)境的機(jī)械反應(yīng)。

感知組織結(jié)構(gòu)和細(xì)胞改變命運(yùn)

對這些胚胎細(xì)胞的行為至關(guān)重要的是它們的集體物理狀態(tài)，Campàs和他的研究小組在之前的一篇論文中描述為一種活性泡沫，類似于肥皂泡沫或啤酒泡沫，細(xì)胞通過細(xì)胞粘附和相互牽引聚集在一起。Campàs和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞機(jī)械探測的是這種“活泡沫”的集體狀態(tài)——它有多僵硬，組合有多受限。“就在細(xì)胞分化并決定改變命運(yùn)的那一刻，它們所感知到的組織的物質(zhì)性質(zhì)發(fā)生了變化?！睋?jù)他說，在組織內(nèi)的細(xì)胞決定自己命運(yùn)的那一刻，組織就會失去硬度。

展望未來

這項(xiàng)研究尚未證明的是一個(gè)復(fù)雜的問題，即胚胎環(huán)境中硬度的變化是否會導(dǎo)致細(xì)胞狀態(tài)的變化，如果是這樣，又是如何導(dǎo)致的。“細(xì)胞集體構(gòu)建的結(jié)構(gòu)的機(jī)械特征，如組織或器官，與它們單獨(dú)做出的決定之間存在相互作用，因?yàn)檫@些決定取決于細(xì)胞在組織中感知到的力學(xué)線索。這種相互作用是大自然如何構(gòu)建生物的核心。”

這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)可能對組織工程也有重要的意義。模仿胚胎組織泡沫狀特征的潛在材料，而不是廣泛使用的合成聚合物或凝膠支架，可能允許研究人員在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建更堅(jiān)固和復(fù)雜的合成組織、器官和植入物，具有適當(dāng)?shù)膸缀涡螤詈蜋C(jī)械特性，以實(shí)現(xiàn)所需的功能。

Journal Reference:

1. Alessandro Mongera, Marie Pochitaloff, Hannah J. Gustafson, Georgina A. Stooke-Vaughan, Payam Rowghanian, Sangwoo Kim, Otger Campàs. Mechanics of the cellular microenvironment as probed by cells in vivo during zebrafish presomitic mesoderm differentiation. Nature Materials, 2022; DOI: 10.1038/s41563-022-01433-9