微小的熒光球（小紅點和小插圖）可用于在生物組織形成和生長時在細胞水平上測量力。球體在周圍細胞向其施加力時發(fā)生變形，該變形用于計算力。

布朗大學研究人員開發(fā)的一項新技術揭示了生物組織形成和生長過程中涉及細胞水平的力。該技術可能有助于更好地了解這些過程的工作方式，并研究它們?nèi)绾螌Νh(huán)境毒素或藥物療法產(chǎn)生反應。

如《生物材料》雜志所述，該技術利用了由高度順應性聚合物材料制成的細胞大小的球體，可以將其放置在組織形成細胞的實驗室培養(yǎng)物中。隨著組織形成過程的展開，用熒光染料染色的球體的顯微鏡成像揭示了它們在周圍細胞壓力的作用下變形的程度。然后，一種計算算法使用該變形來計算在該細胞微環(huán)境中起作用的力。

布朗醫(yī)學科學，工程與骨科副教授埃里克·達林（Eric Darling）表示：“我們知道機械力是組織形成和發(fā)展的重要刺激，但實際上測量這些力非常困難�！拔覀冮_發(fā)的這些球體為我們提供了一種非常靈敏的技術，可以測量同一樣本中隨時間變化的力。而且我們可以在96孔板上同時處理多個樣本，因此這是一種高通量方法也一樣�！�

這項研究是達令實驗室與Haneesh Kesari實驗室之間的合作，后者是Brown的工程學助理教授和固體力學專家。達令（Darling）和研究生羅伯特·古鐵雷斯（Robert Gutierrez）開發(fā)了球體并進行了細胞培養(yǎng)實驗，而凱薩里（Kesari）和研究生方文強（Wenqiang Fang）開發(fā)了計算力的計算算法。

這些球是由一種叫做聚丙烯酰胺的聚合物制成的。達林說，球體對新形成的組織的行為沒有明顯影響，聚丙烯酰胺材料具有高度一致和可調(diào)節(jié)的機械性能，這使得使球體足夠柔軟以至于在受到細胞力的作用下可測量地變形是可能的。

Kesari說：“關鍵是要使用高度受控的材料，具有非常精確的形狀以及經(jīng)過微調(diào)和均勻的機械剛度�！� “如果我們知道球體的性質(zhì)，那么我們就可以拍攝它們的形狀如何變化的照片，并消除做出這些改變所必需的力。”

作為概念的證明，研究人員進行了一系列實驗來測量間充質(zhì)凝結(jié)所涉及的力，在此過程中，干細胞聚集在一起并最終分化為組織特異性細胞類型。該過程對牙齒，骨骼，軟骨和其他組織的形成至關重要。

在一項實驗中，研究小組在細胞培養(yǎng)物中加入了力感應球，這些球聚集在一起形成多細胞球。每隔14小時每小時拍攝一次文化的顯微鏡圖像，這使團隊能夠跟蹤隨著時間的推移每種文化所涉及的力量的變化。實驗表明，在過程的最初5個小時左右，間充質(zhì)凝結(jié)所涉及的力是高度可變的，然后才逐漸穩(wěn)定下來。研究人員說，這是首次測量這種力的動力學。

為了幫助驗證這些球體對細胞力真正敏感，研究小組使用細胞骨架抑制劑（一種削弱細胞內(nèi)微小收縮運動的藥物）處理的培養(yǎng)物重復了該實驗。如預期的那樣，在用藥物處理的培養(yǎng)物中，球體檢測到的力明顯弱。

在另一組實驗中，研究人員將傳感器球體添加到預先形成的細胞團中，以觀察這些球體如何被吸收到團塊中。一些球體已經(jīng)用膠原蛋白涂層處理過，可以使細胞與傳感器結(jié)合，而另一些則沒有涂層。

達林說：“我們能夠看到涂層球和未涂層球之間的力分布差異�！� “總體上有很大的壓縮力，但是有了被覆的細胞，我們可以看到細胞直接與球相互作用，拉動它們并施加拉力。”

達令說，他希望這項技術能夠揭示有關組織形成過程如何工作的基本細節(jié)。將來，它還可用于篩選旨在調(diào)節(jié)這些過程或測試環(huán)境毒素作用的藥物。它在組織工程中也可能有用。

達林說：“如果我們要生長軟骨，了解這些細胞相互作用的作用力類型可能會有所幫助，因為我們可能能夠施加與該作用力曲線相匹配或互補的外力�！� “因此，除了基本的發(fā)現(xiàn)之外，我認為在此方面還有一定的翻譯潛力�！�