细胞在胚胎发生过程中构建组织时的触觉

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。在这项集体任务中，细胞通过多种通信方式进行通信，包括生化信号(类似于细胞的嗅觉)和机械信号(细胞的触觉)。

几十年来，各个学科的研究人员都对细胞通讯着迷。Otger Campàs 教授和他来自德累斯顿工业大学生命物理学​​ (PoL) 卓越集群和加州大学圣塔芭芭拉分校 (UCSB) 的同事现在已经能够解开围绕细胞如何使用其感觉的问题的另一个谜团在胚胎发生过程中做出重要决定的触觉。他们的论文现已发表在《自然材料》杂志上。

测试周围环境

在他们的论文中，研究人员报告了活胚胎中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。“我们非常了解细胞如何感知和响应培养皿中的机械信号。但是，它们在胚胎中的微环境非常不同，我们不知道它们在活组织中感知到的机械信号是什么，”Tissue Campàs 说。动力学和 PoL 董事总经理。

机械治疗帮助细胞做出重要决定，例如是否分裂、移动甚至分化，干细胞通过分化过程变成能够执行特定功能的更特化细胞。

先前的研究表明，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：硬度与骨骼相似的表面上的细胞变成了成骨细胞(骨细胞)，而硬度与脑组织相似的表面上的细胞变成了神经元。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。这些支架如今用于各种生物医学应用。

从培养皿到活胚胎

然而，培养皿并不是细胞的天然栖息地。在构建有机体时，细胞不会与平皿中的合成支架接触，而是与三维的复杂生物材料接触。

在过去十年中，Campàs 教授的研究小组发现了在胚胎复杂组织中引导细胞的机械线索。使用在他的实验室开发的独特技术，研究人员可以用与细胞类似的方式探测活组织，并找出细胞感知的机械结构。

“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。”

通过使用他们插入发育中的细胞之间的铁磁油滴并将其置于受控磁场中，他们能够模拟这些微小的力并测量细胞周围环境的机械响应。

感知组织结构和细胞改变命运

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将其描述为活性泡沫的状态，其稠度类似于肥皂水或啤酒泡沫，细胞通过细胞粘附和互相拉扯。

Campàs 和团队发现，细胞正在机械探测的是这种“活泡沫”的集体状态——它有多硬，组合有多局限。“就在细胞分化并决定改变它们命运的那一刻，它们所感知的组织的材料特性发生了变化。” 据他介绍，当组织内的细胞决定它们的命运时，组织就会变得僵硬。

往前走

这项研究尚未证明的是一个复杂的问题，即胚胎环境中刚度的变化是否——如果是，又如何——驱动细胞状态的变化。

“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，因为这些决定取决于细胞在组织中感知的力学线索。这种相互作用是核心大自然如何构建有机体，”Campàs 说。

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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