上海信裕：追踪细胞力的液滴变形技术

活小鼠下颌骨的细胞（红色和绿色）正在“挤压”液滴（青色）。液滴的变形让周围细胞所产生的机械力变得“可视化”。

就像微小的建筑工人，细胞在 3D 空间中构建着胚胎组织和器官。这项任务非常繁杂，需要细胞之间进行不断的进行沟通，协调自身的行动，并产生形成复杂组织形态的机械力。

生物学家长期以来一直在研究，这些结构形成时细胞和它们的行为之间的联系，但是直到现在，还没有发现细胞产生用来形成这些结构的力。现在，一种全新的方法，能够量化细胞形成组织时所运用的力，可有助于回答生物界这些长期悬而未决的问题，为医学提供新的诊断工具。

这项新技术，最初由 Otger Campàs 和 Donald Ingber 在哈佛大学 Wyss 研究所开发，是第一种测量细胞在活体胚胎中所产生的机械力的技术。 Campàs 目前是加州大学圣巴巴拉分校系统生物学系的助理教授，他带领其研究团队，从几个全新的角度，开发了这种液滴技术，将其用于发现形成鱼和鸡胚胎结构的细胞力的模式。

Campàs 说：“很多人对‘遗传学和力学如何相互作用来形成胚胎组织’非常感兴趣。我相信，这种技术将能帮助很多科学家探索机械力在胚胎发生，更普遍的，在生物学中的作用。”

到目前为止，绝大多数关于细胞力如何影响细胞行为的知识，来自对体外细胞的研究——通过培养使细胞与其自然环境脱离。利用软凝胶基质或凝胶模型，研究人员已经能够测量这些细胞在培养皿中移动时的牵引力。然而，对细胞形成胚胎组织和器官时产生的力，以及这些力在其自然环境下如何影响细胞行为，几乎还一无所知。

Campàs 说：“总的来说，细胞在胚胎内表现出与培养皿中不同的行为。“他补充说，一些行为可能是相似的，但是其它许多并不相同。根据环境，细胞以各种不同的方式作出反应。

哈佛大学 Wyss 研究所主任 Donald Ingber 说：“这不可能证明，活体内的力学和行为之间有直接的因果关系，因为我们以前没有任何方法能够量化3D活体组织中特殊位置的力的水平。现在，这种方法能允许我们进行这些测量，我希望它能将力学生物学带到一个全新的水平。”

变形中的液滴3D构建图

为了测量这些微小的细胞力， Campàs 和 Ingber 利用一种特殊的微小液滴。一旦液滴被固定和控制其表面张力，液滴的表面化学被修改，能允许活细胞吸附。它也被贴以荧光标签，使观察者能够看到其形状。当细胞在一个液滴上推拉时，它们使液滴变形，这种变形使我们能够直接“读取”细胞运用的力。

Campàs 和 Ingber 指出，利用这种技术，可以在不同的条件下测量细胞力，例如3D细胞聚集或在活小鼠下颌骨。

这种方法，能帮助回答生物学家们数十年来一直试图解答的问题：细胞产生了什么力来形成胚胎组织和器官？在细胞的自然环境——活体胚胎中，这些力如何影响细胞行为和基因表达？

Campàs 说：“了解细胞如何形成胚胎结构，需要测量这些结构被形成时细胞力的模式。如果你从胚胎中取出细胞置于培养皿中，你就再也没有组织或器官结构了。”

通过观测培养细胞成熟后的行为所获得的知识，可能带来关于更多情况包括出生缺陷或肿瘤生长和转移的进一步的知识。此外，这种方法也能为组织的组成细胞所运用的力失衡而引发的疾病，带来深刻的见解。 Ingber 说：“这些例子包括哮喘病的气道平滑肌细胞的超收缩、高血压的血管平滑肌细胞、挛缩和疤痕中的皮肤结缔组织细胞等，以及心力衰竭中的心肌细胞的低收缩性等等。”调查组织刚度和收缩背后的力，也有助于组织异常情况的诊断。