構(gòu)建組織和器官是細胞在胚胎發(fā)生過程中必須完成的最復(fù)雜和最基本的任務(wù)之一。在這項集體任務(wù)中，細胞通過各種通信方法進行交流，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(xué)科的研究人員一直對細胞通信著迷。Otger Campà教授和同事們現(xiàn)在已經(jīng)能夠解開另一個圍繞細胞如何利用它們的觸覺在胚胎發(fā)生過程中做出重要決定的問題的謎團。他們的論文現(xiàn)已發(fā)表在《Nature Materials》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(huán)境，以及它們感知到的機械參數(shù)和結(jié)構(gòu)。“我們對細胞如何感知和響應(yīng)培養(yǎng)皿中的機械線索有很多了解。然而，它們的微環(huán)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(xué)主席兼PoL董事總經(jīng)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(zhí)行特定的功能。先前的研究表明，放置在合成基質(zhì)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(jīng)元。這一發(fā)現(xiàn)極大地推動了組織工程領(lǐng)域的發(fā)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(dǎo)干細胞發(fā)育成預(yù)期的結(jié)果。這些支架今天被用于各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

從培養(yǎng)皿到活胚胎

然而，培養(yǎng)皿并不是細胞的天然棲息地。在構(gòu)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(fù)雜生命材料接觸。

在過去十年中，Campàs教授的研究小組發(fā)現(xiàn)了在胚胎復(fù)雜組織中引導(dǎo)細胞的機械線索。利用他實驗室開發(fā)的一種獨特技術(shù)，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(jié)構(gòu)。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(huán)境，并在分化時構(gòu)建脊椎動物的體軸。細胞使用不同的突起來推動和拉動環(huán)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(fā)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(huán)境的機械反應(yīng)。

感知組織結(jié)構(gòu)和細胞改變命運

對這些胚胎細胞的行為至關(guān)重要的是它們的集體物理狀態(tài)，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(fā)現(xiàn)，細胞機械地探測的是這種“活泡沫”的集體狀態(tài)——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(zhì)性質(zhì)發(fā)生了變化。”據(jù)他說，在組織內(nèi)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

在這項研究中尚未被證實的是一個復(fù)雜的問題，即胚胎環(huán)境中硬度的變化是否會導(dǎo)致細胞狀態(tài)的變化，如果是的話，又是如何導(dǎo)致的。“細胞集體構(gòu)建的結(jié)構(gòu)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(xué)線索。這種相互作用是大自然如何構(gòu)建生物的核心。”

這項研究的發(fā)現(xiàn)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(chuàng)建更堅固和復(fù)雜的合成組織、器官和植入物，具有適當?shù)膸缀涡螤詈蜋C械特性，以實現(xiàn)所需的功能。

Mechanics of the cellular microenvironment as probed by cells in vivo during zebrafish presomitic mesoderm differentiation