德累斯頓工業大學和加州大學圣巴巴拉分校卓越生命物理集群的一個研究小組揭示了細胞在胚胎發生過程中構建組織時如何感知其機械環境。

構建組織和器官是細胞在胚胎發生過程中必須完成的最復雜和最基本的任務之一。在這項集體任務中，細胞通過各種交流方式進行交流，包括生化信號(類似于細胞的嗅覺)和機械信號(細胞的觸覺)。幾十年來，各種學科的研究人員一直對細胞通信著迷。Otger教授Campàs和他來自Technische Universit?t德累斯頓和加州大學圣巴巴拉分校(UCSB)的生命物理學(PoL)卓越集群的同事們現在已經能夠解開另一個圍繞細胞如何利用它們的觸覺在胚胎發生過程中做出重要決定的問題的謎團。他們的論文現已發表在《自然材料》雜志上。

在他們的論文中，研究人員報告了活胚胎中的細胞如何機械地測試環境，以及它們感知到的機械參數和結構。“我們對細胞如何感知和響應培養皿中的機械線索有很多了解。然而，它們的微環境在胚胎中是完全不同的，我們不知道它們在活組織中感知到什么機械線索，”組織動力學主席兼PoL董事總經理Campàs說。

機械治療幫助細胞做出重要的決定，比如是否分裂、移動甚至分化，干細胞通過分化過程變成更特化的細胞，能夠執行特定的功能。先前的研究表明，放置在合成基質上的干細胞在很大程度上依賴機械信號來做出決定:表面硬度類似于骨骼的細胞變成了成骨細胞(骨細胞)，而表面硬度類似于腦組織的細胞變成了神經元。這一發現極大地推動了組織工程領域的發展，因為研究人員利用這些機械線索來制造合成支架，以誘導干細胞發育成預期的結果。這些支架今天被用于各種生物醫學應用。

從培養皿到活胚胎

然而，培養皿并不是細胞的天然棲息地。在構建有機體的過程中，細胞不是與平板中的合成支架接觸，而是與三維的復雜生命材料接觸。

在過去十年中，Campàs教授的研究小組發現了在胚胎復雜組織中引導細胞的機械線索。利用他實驗室開發的一種獨特技術，研究人員可以以類似于細胞的方式探測活組織，并找出細胞所感知的機械結構。Campàs說:“我們首先研究了細胞在分化時如何機械地測試它們的微環境，并在分化時構建脊椎動物的體軸。”“細胞使用不同的突起來推動和拉動環境。所以我們量化了他們推的速度和強度。”他們將鐵磁油滴插入正在發育的細胞之間，并將其置于受控磁場中，他們能夠模擬這些微小的力，并測量細胞周圍環境的機械反應。

感知組織結構和細胞改變命運

對這些胚胎細胞的行為至關重要的是它們的集體物理狀態，Campàs和他的研究小組在之前的一篇論文中描述為一種活性泡沫，類似于肥皂泡沫或啤酒泡沫，細胞通過細胞粘附和相互牽引聚集在一起。Campàs和團隊發現，細胞機械探測的是這種“活泡沫”的集體狀態——它有多僵硬，組合有多受限。“就在細胞分化并決定改變命運的那一刻，它們所感知到的組織的物質性質發生了變化。”據他說，在組織內的細胞決定自己命運的那一刻，組織就會失去硬度。

展望未來

這項研究尚未證明的是一個復雜的問題，即胚胎環境中硬度的變化是否會導致細胞狀態的變化，如果是這樣，又是如何導致的。“細胞集體構建的結構的機械特征，如組織或器官，與它們單獨做出的決定之間存在相互作用，因為這些決定取決于細胞在組織中感知到的力學線索。這種相互作用是大自然如何構建生物的核心。”

這項研究的發現可能對組織工程也有重要的意義。模仿胚胎組織泡沫狀特征的潛在材料，而不是廣泛使用的合成聚合物或凝膠支架，可能允許研究人員在實驗室中創建更堅固和復雜的合成組織、器官和植入物，具有適當的幾何形狀和機械特性，以實現所需的功能。

Journal Reference:

1. Alessandro Mongera, Marie Pochitaloff, Hannah J. Gustafson, Georgina A. Stooke-Vaughan, Payam Rowghanian, Sangwoo Kim, Otger Campàs. Mechanics of the cellular microenvironment as probed by cells in vivo during zebrafish presomitic mesoderm differentiation. Nature Materials, 2022; DOI: 10.1038/s41563-022-01433-9