强大的新技术揭示了细胞在其自然栖息地 活体胚胎中的机械环境

无论是构建器官还是维持健康的成人组织，细胞都会利用其环境中的生化和机械信号做出重要决定，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的机械环境 - 它们自然，未改变的三维栖息地。

“了解细胞如何对活体胚胎中的机械线索做出反应以及它们如何在3D空间中对组织和器官进行物理雕刻将改变我们对发育过程的思考方式，”UCSB机械工程系教授OtgerCampàs表示。该论文的高级作者在“ 自然方法”中报道了这种新技术。“重要的是，这些知识将有助于我们更好地了解健康的组织稳态和涉及异常组织力学，特别是癌症的各种疾病。”

生物体的生长和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。随着时间的推移，所有这些事件共同创造出各种复杂的形式和纹理，使我们的组织和器官发挥作用。几十年来科学家一直关注生化线索在胚胎发育中的作用，Campàs说，因为没有技术可以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，”Campàs解释说，他是UCSB Mellichamp Endowed系统生物学和生物工程主席。“在具有不同顺应性的合成表面上生长干细胞表明干细胞将成为一种不同的细胞类型，完全取决于它们所感知的机械环境。如果你将胚胎干细胞放在像Jell-O-机械上类似于脑组织的基质上 - 他们变成了神经元。但如果你把它们放在更难的东西上，就像胚胎骨一样，它们会变成骨状细胞。“

到目前为止，科学家还没有一种方法来研究天然细胞环境的机械特性 - 即被活体组织内的其他细胞和基质支架包围的细胞。因此，不可能知道细胞如何响应他们在构建组织和器官时所感知的机械线索。

“我们开发的技术可以测量机械特性，例如活组织内的刚度和粘度，”作者Friedhelm Serwane说，他目前在德国斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所工作。“这是令人兴奋的，因为重要的细胞功能受这些机械特性的控制。如果我们能够测量生物体内的机械特性，我们现在可以更好地理解力学与生物学之间的这种关系是如何起作用的。”

这种方法的关键是在发育中的胚胎细胞之间插入微小的磁响应液滴。当暴露在磁场中时，这些磁性液滴会变形，从而推动附近的细胞。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，并且周围组织的响应显示其机械特性以及细胞作为组织暴露的线索。增长。该技术与Campàs及其同事开发的先前方法相辅相成，该方法揭示了细胞在生长组织中相互施加的力。

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构建的。使用斑马鱼的胚胎，其选择用于其快速发展和光学透明性，它们可以显示组织的机械性质沿着身体轴线改变，促进身体在其后端的延伸。在组织中的不同位置插入磁滴，并通过向液滴施加磁场产生力，研究人员表明，组织在生长过程中表现得像液体，具有与厚蜂蜜相似的机械特性。数据显示组织在其生长的后端更具流动性，并且远离生长区域变得更少流动。

“它类似于玻璃吹制，”Campàs说。“ 组织在生长区域更具流动性，并且通过在不需要膨胀的地方变得不那么流畅而'固定'它的形状。”

科学家的研究结果对于了解器官如何被雕刻成形状以及细胞如何在健康组织和疾病期间对其天然机械环境作出反应具有广泛意义。Campàs实验室正在研究其中的几个问题，包括如何建立肢体以及肿瘤的机械变化如何影响恶性细胞的行为和肿瘤的生长。