研究人员揭示了胚胎细胞如何感知其机械环境以集体形成组织

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，机械线索，细胞的触觉。

几十年来，各个领域的研究人员一直对细胞通讯着迷，并发现了细胞如何使用生化线索来实现此目的。然而，细胞如何在胚胎发生过程中利用触觉做出决定仍然是一个谜。

Otger Campàs教授就是其中一位研究人员。现在，随着一篇发表在《自然材料》杂志上的论文，他和他的研究团队让我们离解开这个谜团又近了一步。在这项工作中，大部分是在加州大学圣巴巴拉分校完成的，研究人员报告了活胚胎中的细胞如何机械地测试其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和响应培养皿中的机械线索了解很多，但我们对细胞如何在胚胎内做到这一点知之甚少，它们的微环境非常不同，”坎帕斯说，他现在是德累斯顿工业大学生命物理学(PoL)卓越集群的教授，他在那里担任组织动力学并担任PoL董事总经理。

这种集体机械传感有助于细胞做出重要决定，例如是否分裂，移动甚至分化，干细胞转变为能够执行特定功能的更特化的细胞的过程。

几年前，一个主要线索浮出水面，当时发现放置在合成亚酸盐上的干细胞严重依赖机械线索来做出决定：刚度与骨相似的表面上的细胞成为成骨细胞(骨细胞)，而硬度与脑组织相似的表面上的细胞成为神经元。

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预期的结果。这些支架现在用于广泛的生物医学应用。

但是培养皿或合成支架不是细胞的自然栖息地。细胞存在于具有非常复杂机械特性的组织中，Campàs说。细胞在构建生物体时在胚胎内部感知到什么 - 没有外部支架并在三维空间中相互推动 - 仍然未知。

直到现在。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，并找出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如何在分化时机械地测试它们的微环境，并在它们分化时构建脊椎动物的身体轴，”Campàs说。

“细胞使用不同的突起来推动和拉动环境。因此，我们量化了他们的推动速度和强度。使用他们插入发育细胞之间的铁磁油滴并受到受控磁场，他们能够模仿这些微小的力并测量细胞周围环境的机械反应。

这些胚胎细胞行动的关键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，其稠度类似于肥皂泡沫或啤酒泡沫，细胞聚集在一起，相互粘附和拉扯。

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 - 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命运的那一刻，它们感知到的组织的材料特性发生了变化，”坎帕斯说。据他介绍，在组织内的细胞决定命运的那一刻，组织会降低其硬度。

这项研究中尚未证明的是胚胎环境中刚度的变化是否 - 如果是的话，如何 - 驱动细胞状态的变化。坎帕斯说，这是一个在未来研究中要探索的复杂话题。

“细胞集体构建的结构(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如何构建有机体的核心。

这项研究的结果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，模仿胚胎组织的泡沫状特征的潜在材料可能使研究人员能够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机械特性用于所需的功能。

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