研究人員使用3-D微管平臺研究管腔形成

來自新加坡和法國的科學(xué)家團(tuán)隊由新加坡國立大學(xué)機(jī)械生物學(xué)研究所首席研究員Lim Chwee Teck教授和新加坡國立大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系領(lǐng)導(dǎo)，他們描述了一種新的“微管”平臺，用于研究如何管狀器官，例如心臟和腎臟，在身體內(nèi)部通常經(jīng)歷的各種地形限制下形成。本研究于2017年11月15日在Nature Communications在線發(fā)表。

患有動脈粥樣硬化，腎臟和肝功能衰竭等疾病的人數(shù)在全球范圍內(nèi)呈上升趨勢。雖然這些可能危及生命的疾病會影響身體的不同部位，但它們都是由于上皮管形成的缺陷而產(chǎn)生的 - 上皮管是一種基本類型的組織，除了心臟，腎臟或肝臟外，還構(gòu)成了我們的許多器官。肺，血管，腦和胰腺也容易受到上皮管形成缺陷的影響。

上皮管如何形成

上皮管是圓柱形結(jié)構(gòu)，其由單層或多層上皮細(xì)胞制成。作為整個身體器官和組織的管道，上皮管具有重要的生理作用，從體內(nèi)必需氣體，液體和大分子的輸送到消除代謝廢物。

這些結(jié)構(gòu)在胚胎發(fā)育的最早階段形成，此時細(xì)胞群圍繞稱為管腔的中央中空空間排列。鑒于它們在保持器官健康和功能狀態(tài)方面的重要性，研究人員長期以來一直試圖了解上皮管是如何發(fā)育的，以及為什么會出現(xiàn)其發(fā)育缺陷。

最近，有證據(jù)表明我們體內(nèi)的物理環(huán)境對所有組織(包括上皮管)的形成都有重要影響，這促使研究人員尋求研究這些老問題的新方法。

例如，幾個小組通過在人工二維(2-D)系統(tǒng)中培養(yǎng)細(xì)胞來探索管的發(fā)育，這使得它們能夠操縱環(huán)境的物理特性并評估細(xì)胞形成管的能力如何受到影響。然而，這些系統(tǒng)的主要缺點在于，二維空間的平坦條件不能精確地模擬身體的動態(tài)三維環(huán)境。

用于研究管腔形成的三維(3-D)'微管'平臺

為了克服這個缺點，林教授的團(tuán)隊采用了一種先進(jìn)而簡單的微加工技術(shù)來合成三維微米尺寸的管狀通道，它們稱之為微管。將這些微管置于前進(jìn)的細(xì)胞組前面。這種設(shè)置允許細(xì)胞爬入微管的中空空間，沿其彎曲的內(nèi)表面擴(kuò)散，并重新排列成類似于生物管的含有腔的結(jié)構(gòu)。

為了測試微管的物理特性是否對細(xì)胞在內(nèi)部形成含有腔的結(jié)構(gòu)的能力有任何影響，研究人員引入了單個可變物理參數(shù)。他們制造了不同尺寸的微管，直徑范圍為25-250微米。當(dāng)在顯微鏡下觀察細(xì)胞時，他們注意到在較窄范圍內(nèi)形成管的細(xì)胞表現(xiàn)出與具有更多移動空間的細(xì)胞明顯不同。

狹窄管內(nèi)的高度狹窄空間迫使細(xì)胞緩慢移動。細(xì)胞通常在向后和向前運(yùn)動之間波動，這進(jìn)一步減緩了它們的運(yùn)動。偶爾，在最窄的管中，前部的細(xì)胞不能保持在一起，并且細(xì)胞群將從較大的管形成組中分離。相反，較寬管內(nèi)的細(xì)胞逐漸向前移動，并保持為一組，類似于它們在平坦表面上移動的方式。

通常，我們體內(nèi)的細(xì)胞必須穿過高度受限的空間才能重新排列成各種結(jié)構(gòu)，如管子。這些條件與分子和遺傳因素相結(jié)合，確保以各種器官的正確方式形成各種形狀和大小的管。

本研究中描述的簡單微管平臺為研究人員提供了關(guān)于控制細(xì)胞排列的潛在機(jī)械生理學(xué)的重要見解。在發(fā)育期間進(jìn)入管狀器官。更重要的是，它還將有助于推理由某些病理狀況引起的極端物理限制如何導(dǎo)致組織的錯誤發(fā)展，這些組織表現(xiàn)為許多嚴(yán)重甚至危及生命的疾病。這些知識對于開發(fā)新穎有效的治療策略至關(guān)重要，除了針對異常分子途徑外，還將針對在許多此類疾病期間發(fā)生的反作用極端物理改變。

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