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強大的新技術揭示了細胞在其自然棲息地活體胚胎中的機械環(huán)境

2019-01-09 10:12:02 ? 來源：

無論是構建器官還是維持健康的成人組織，細胞都會利用其環(huán)境中的生化和機械信號做出重要決定，例如成為神經元，皮膚細胞或心臟細胞。加州大學圣巴巴拉分校的科學家開發(fā)出一種強大的新技術，首次揭示了細胞在活組織中感知的機械環(huán)境 - 它們自然，未改變的三維棲息地。

“了解細胞如何對活體胚胎中的機械線索做出反應以及它們如何在3D空間中對組織和器官進行物理雕刻將改變我們對發(fā)育過程的思考方式，”UCSB機械工程系教授OtgerCampàs表示。該論文的高級作者在“ 自然方法”中報道了這種新技術。“重要的是，這些知識將有助于我們更好地了解健康的組織穩(wěn)態(tài)和涉及異常組織力學，特別是癌癥的各種疾病。”

生物體的生長和發(fā)育是細胞運動和行為的編排，遵循內部遺傳指南和特定的生化和機械信號。隨著時間的推移，所有這些事件共同創(chuàng)造出各種復雜的形式和紋理，使我們的組織和器官發(fā)揮作用。幾十年來科學家一直關注生化線索在胚胎發(fā)育中的作用，Campàs說，因為沒有技術可以測量細胞在組織和器官形成過程中暴露的機械線索。

“我們知道細胞的機械環(huán)境很重要，”Campàs解釋說，他是UCSB Mellichamp Endowed系統(tǒng)生物學和生物工程主席。“在具有不同順應性的合成表面上生長干細胞表明干細胞將成為一種不同的細胞類型，完全取決于它們所感知的機械環(huán)境。如果你將胚胎干細胞放在像Jell-O-機械上類似于腦組織的基質上 - 他們變成了神經元。但如果你把它們放在更難的東西上，就像胚胎骨一樣，它們會變成骨狀細胞。“

到目前為止，科學家還沒有一種方法來研究天然細胞環(huán)境的機械特性 - 即被活體組織內的其他細胞和基質支架包圍的細胞。因此，不可能知道細胞如何響應他們在構建組織和器官時所感知的機械線索。

“我們開發(fā)的技術可以測量機械特性，例如活組織內的剛度和粘度，”作者Friedhelm Serwane說，他目前在德國斯圖加特馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所工作。“這是令人興奮的，因為重要的細胞功能受這些機械特性的控制。如果我們能夠測量生物體內的機械特性，我們現在可以更好地理解力學與生物學之間的這種關系是如何起作用的。”

這種方法的關鍵是在發(fā)育中的胚胎細胞之間插入微小的磁響應液滴。當暴露在磁場中時，這些磁性液滴會變形，從而推動附近的細胞。通過仔細控制液滴的組成和磁場的強度，可以控制液滴施加的力，并且周圍組織的響應顯示其機械特性以及細胞作為組織暴露的線索。增長。該技術與Campàs及其同事開發(fā)的先前方法相輔相成，該方法揭示了細胞在生長組織中相互施加的力。

科學家們應用他們的新技術來研究脊椎動物身體軸是如何機械構建的。使用斑馬魚的胚胎，其選擇用于其快速發(fā)展和光學透明性，它們可以顯示組織的機械性質沿著身體軸線改變，促進身體在其后端的延伸。在組織中的不同位置插入磁滴，并通過向液滴施加磁場產生力，研究人員表明，組織在生長過程中表現得像液體，具有與厚蜂蜜相似的機械特性。數據顯示組織在其生長的后端更具流動性，并且遠離生長區(qū)域變得更少流動。

“它類似于玻璃吹制，”Campàs說。“ 組織在生長區(qū)域更具流動性，并且通過在不需要膨脹的地方變得不那么流暢而'固定'它的形狀。”

科學家的研究結果對于了解器官如何被雕刻成形狀以及細胞如何在健康組織和疾病期間對其天然機械環(huán)境作出反應具有廣泛意義。Campàs實驗室正在研究其中的幾個問題，包括如何建立肢體以及腫瘤的機械變化如何影響惡性細胞的行為和腫瘤的生長。

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