研究人员使用3-D微管平台研究管腔形成

来自新加坡和法国的科学家团队由新加坡国立大学机械生物学研究所首席研究员Lim Chwee Teck教授和新加坡国立大学生物医学工程系领导，他们描述了一种新的“微管”平台，用于研究如何管状器官，例如心脏和肾脏，在身体内部通常经历的各种地形限制下形成。本研究于2017年11月15日在Nature Communications在线发表。

患有动脉粥样硬化，肾脏和肝功能衰竭等疾病的人数在全球范围内呈上升趋势。虽然这些可能危及生命的疾病会影响身体的不同部位，但它们都是由于上皮管形成的缺陷而产生的 - 上皮管是一种基本类型的组织，除了心脏，肾脏或肝脏外，还构成了我们的许多器官。肺，血管，脑和胰腺也容易受到上皮管形成缺陷的影响。

上皮管如何形成

上皮管是圆柱形结构，其由单层或多层上皮细胞制成。作为整个身体器官和组织的管道，上皮管具有重要的生理作用，从体内必需气体，液体和大分子的输送到消除代谢废物。

这些结构在胚胎发育的最早阶段形成，此时细胞群围绕称为管腔的中央中空空间排列。鉴于它们在保持器官健康和功能状态方面的重要性，研究人员长期以来一直试图了解上皮管是如何发育的，以及为什么会出现其发育缺陷。

最近，有证据表明我们体内的物理环境对所有组织(包括上皮管)的形成都有重要影响，这促使研究人员寻求研究这些老问题的新方法。

例如，几个小组通过在人工二维(2-D)系统中培养细胞来探索管的发育，这使得它们能够操纵环境的物理特性并评估细胞形成管的能力如何受到影响。然而，这些系统的主要缺点在于，二维空间的平坦条件不能精确地模拟身体的动态三维环境。

用于研究管腔形成的三维(3-D)'微管'平台

为了克服这个缺点，林教授的团队采用了一种先进而简单的微加工技术来合成三维微米尺寸的管状通道，它们称之为微管。将这些微管置于前进的细胞组前面。这种设置允许细胞爬入微管的中空空间，沿其弯曲的内表面扩散，并重新排列成类似于生物管的含有腔的结构。

为了测试微管的物理特性是否对细胞在内部形成含有腔的结构的能力有任何影响，研究人员引入了单个可变物理参数。他们制造了不同尺寸的微管，直径范围为25-250微米。当在显微镜下观察细胞时，他们注意到在较窄范围内形成管的细胞表现出与具有更多移动空间的细胞明显不同。

狭窄管内的高度狭窄空间迫使细胞缓慢移动。细胞通常在向后和向前运动之间波动，这进一步减缓了它们的运动。偶尔，在最窄的管中，前部的细胞不能保持在一起，并且细胞群将从较大的管形成组中分离。相反，较宽管内的细胞逐渐向前移动，并保持为一组，类似于它们在平坦表面上移动的方式。

通常，我们体内的细胞必须穿过高度受限的空间才能重新排列成各种结构，如管子。这些条件与分子和遗传因素相结合，确保以各种器官的正确方式形成各种形状和大小的管。

本研究中描述的简单微管平台为研究人员提供了关于控制细胞排列的潜在机械生理学的重要见解。在发育期间进入管状器官。更重要的是，它还将有助于推理由某些病理状况引起的极端物理限制如何导致组织的错误发展，这些组织表现为许多严重甚至危及生命的疾病。这些知识对于开发新颖有效的治疗策略至关重要，除了针对异常分子途径外，还将针对在许多此类疾病期间发生的反作用极端物理改变。