研究人员揭示了胚胎细胞如何感知它们的机械环境以共同形成组织
构建组织和器官是细胞在胚胎发生过程中必须完成的最复杂和最重要的任务之一。单个细胞不会做出这些决定;相反，构建组织是一项集体任务，需要细胞不断地相互交流。存在不同的通信方法，包括化学线索，类似于细胞的嗅觉，以及机械线索，即细胞的触觉。几十年来，各个领域的研究人员都对细胞通讯着迷，并发现了细胞如何利用生化线索来实现这一目的。然而，细胞在胚胎发生过程中如何利用它们的触觉做出决定仍然是个谜。
Otger Campàs 教授就是其中一位研究人员。现在，随着发表在《自然材料》杂志上的一篇论文，他和他的研究团队让我们离揭开这个谜团又近了一步。在这项主要在加州大学圣巴巴拉分校完成的工作中，研究人员报告了活胚胎内的细胞如何机械测试它们的环境以及它们感知的机械参数和结构。
“我们对细胞如何感知培养皿中的机械信号并对其做出反应了解很多，但我们对细胞如何在胚胎内做这件事知之甚少，因为它们的微环境非常不同，”Campàs 说，他现在是生命物理学教授(PoL) 德累斯顿工业大学卓越集群，他担任组织动力学主席并担任 PoL 常务董事。
这种集体机械感应帮助细胞做出重要决定，例如是否分裂、移动甚至分化，干细胞在此过程中转变为能够执行特定功能的更特化细胞。几年前，一条重要的线索浮出水面，当时发现放置在合成基质上的干细胞在很大程度上依赖于机械线索来做出决定：表面上的细胞具有与骨骼相似的硬度，成为成骨细胞(骨细胞)，而表面上的细胞具有僵硬类似于脑组织变成了神经元。这些发现极大地推动了组织工程领域的发展，因为研究人员使用这些机械线索来创建合成支架以诱导干细胞发育成所需的结果。这些支架现在广泛用于生物医学应用。
但是培养皿或合成支架并不是细胞的自然栖息地。Campàs 说，细胞存在于具有非常复杂机械特性的组织中。细胞在构建有机体时在胚胎内部感知到什么机械线索——没有外部支架并在三个维度上相互推动——仍然未知。
到目前为止。使用 Campàs 实验室开发的独特工具，研究人员能够探测胚胎内细胞的天然机械环境，并弄清楚细胞在决定成为什么的过程中感知到的物理量。
“我们首先研究了细胞在分化时如何机械测试它们的微环境，并在分化时如何构建脊椎动物的体轴，”Campàs 说。“细胞使用不同的突起来推动和拉动它们的环境。因此我们量化了它们推动的速度和强度。” 他们使用插入发育中的细胞之间并受到受控磁场的铁磁油滴，能够模拟这些微小的力并测量细胞周围环境的机械响应。
对这些胚胎细胞的行为至关重要的是它们的集体物理状态，Campàs 和他的研究小组在之前的一篇论文中发现这是一种活性泡沫的状态，其稠度类似于肥皂水或啤酒泡沫，细胞聚集在一起，粘附并互相拉扯。Campàs 和团队发现，细胞正在机械探测的是这种“活性泡沫”的集体状态——它有多硬以及组合的局限性——而不是单个细胞或其中结构的刚度。
“就在细胞分化并决定改变它们命运的那一刻，它们感知到的组织的材料特性发生了变化，”Campàs 说。据他介绍，当组织内的细胞决定它们的命运时，组织会降低其硬度。
这项研究尚未证实的是，胚胎环境中硬度的变化是否——如果是，又如何——驱动细胞状态的变化。Campàs 说，这是一个需要在未来研究中探索的复杂话题。“细胞共同构建的结构(例如组织或器官)的机械特性与它们单独做出的决定之间存在相互作用。这种相互作用是自然界构建生物体的核心。”
这项研究的发现也可能对组织工程具有重要意义。与广泛使用的合成聚合物或凝胶支架相反，模仿胚胎组织泡沫状特征的潜在材料可能允许研究人员在实验室中创建更坚固和复杂的合成组织、器官和植入物，具有适当的几何形状和所需功能的机械特性。
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