强大的新技术揭示了细胞在其自然栖息地的机械

 行业动态     |      2021-02-23 08:59



胞在构建组织和器官时对它们感知到的机械线索有何反应。"我们开发的技术允许测量活组织内的刚度和粘度等机械特性,"作者弗里德尔姆·塞尔瓦内说,他目前在德国斯图加特的马克斯·普朗克智基因扩增仪能系统研究所工作。"这是令人兴奋的,因为重要的细胞功能是由这些机械性能控制。如果我们现在能够测量生物体内的机械特性,我们也许能够更好地了解力学和生物学之间的这种关系是如何运作的。

无论是建立器官还是维持健康的成人组织,细胞都使用来自其环境中的生化和机械线索做出重要决定,例如成为神经元、皮肤细胞或心脏细胞。加州大学圣巴巴拉分校的科学家开发出一种强大的新技术,首次揭示了细胞在活组织中感知到的机械环境——它们自然不变的三维栖息地。UCSB机械工程系教授、《自然方法》杂志报道这一新技术的资深作者奥特格·坎普斯(Otger Campés)说:"了解细胞对活胚胎中机械线索的反应,以及它们如何在3D空间中雕刻组织和器官,将改变我们对发育过程的思考方式。"重要的是,这些知识将帮助我们更好地了解健康的组织平衡和涉及异常组织机制的广泛疾病,特别是癌症。

活生物体的生长发育是细胞运动和行为的编排,遵循内部遗传指南和特定的生化和机械信号。所有这些事件随着时间的推移而合谋创造各种复杂的形式和纹理,使我们的组织和器官发挥作用。Campés说,几十年来,科学家们一直关注生化线索在胚胎发育中的作用,因为目前没有技术来测量细胞在组织和器官形成过程中暴露的机械线索。

"我们知道细胞的机械环境很重要,"坎普斯解释道,他担任UCSB梅利尚系统生物学和生物工程的主席。"在合成表面上生长具有不同合规性的干细胞表明,干细胞将完全取决于它们感知的机械环境而成为不同的细胞类型。如果你把胚胎干细胞放在像Jell-O这样的基材上——机械上类似于脑组织——它们就会变成神经元。但是,如果你把它们放在更硬的东西上,类似于胚胎骨,它们就会变成骨状细胞。

直到现在,科学家们还没有研究本地细胞环境的机械特性的方法——即被活组织内其他细胞和基质脚手架包围的细胞。因此,不可能知道细这种方法的关键是在发育中的胚胎中的细胞之间插入微小的磁响应液滴。当暴露在磁场中时,这些磁液滴变形,压在附近的细胞上。通过仔细控制液滴的组成和磁场的强度,可以控制液滴施加的力,周围组织的反应揭示了液滴的机械特性以及细胞在组织生长过程中暴露的线索。这项技术与Campés及其同事先前开发的方法相辅相成,该方法揭示了细胞在生长组织中相互应用的力量。

科学家们应用他们的新技术来研究脊椎动物身体轴是如何机械地建造的。使用斑马鱼的胚胎,这是选择其快速发展和光学透明度,他们可以表明,组织的机械性质沿身体轴变化,促进身体在其后端的延伸。研究人员将磁液滴插入组织中的不同位置,并通过将磁场施加到液滴上产生力,结果表明,这种组织在生长过程中的行为就像液体一样,其机械特性与厚蜂蜜相似。数据显示,组织在生长的后端更流体,在远离生长区域的地方变得不那么流体。

"它类似于玻璃吹,"坎帕斯说。组织在生长区域更流畅,在不需要扩张的地方变少,从而"修复"其形状。

科学家们的发现对于了解器官是如何被雕刻成形状的,以及细胞在健康组织和疾病期间如何对它们的原生机械环境做出反应,有着广泛的意义。Campés实验室正在研究其中几个问题,包括四肢是如何建立的,肿瘤的机械变化如何影响恶性细胞的行为和肿瘤的生长。