细胞也有触觉吗，如何测量？

　　

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基本的任务之一。在这项集体任务中，细胞通过各种通信方法进行交流，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，各种学科的研究人员一直对细胞通信着迷。Otger Campà教授和同事们现在已经能够解开另一个围绕细胞如何利用它们的触觉在胚胎发生过程中做出重要决定的问题的谜团。他们的论文现已发表在《Nature Materials》杂志上。

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地测试环境，以及它们感知到的机械参数和结构。“我们对细胞如何感知和响应培养皿中的机械线索有很多了解。然而，它们的微环境在胚胎中是完全不同的，我们不知道它们在活组织中感知到什么机械线索，”组织动力学主席兼PoL董事总经理Campàs说。

机械治疗帮助细胞做出重要的决定，比如是否分裂、移动甚至分化，干细胞通过分化过程变成更特化的细胞，能够执行特定的功能。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机械信号来做出决定:表面硬度类似于骨骼的细胞变成了成骨细胞(骨细胞)，而表面硬度类似于脑组织的细胞变成了神经元。这一发现极大地推动了组织工程领域的发展，因为研究人员利用这些机械线索来制造合成支架，以诱导干细胞发育成预期的结果。这些支架今天被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。在构建有机体的过程中，细胞不是与平板中的合成支架接触，而是与三维的复杂生命材料接触。

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。利用他实验室开发的一种独特技术，研究人员可以以类似于细胞的方式探测活组织，并找出细胞所感知的机械结构。Campàs说:“我们首先研究了细胞在分化时如何机械地测试它们的微环境，并在分化时构建脊椎动物的体轴。细胞使用不同的突起来推动和拉动环境。所以我们量化了他们推的速度和强度。”

他们将铁磁油滴插入正在发育的细胞之间，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反应。

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描述为一种活性泡沫，类似于肥皂泡沫或啤酒泡沫，细胞通过细胞粘附和相互牵引聚集在一起。Campàs和团队发现，细胞机械地探测的是这种“活泡沫”的集体状态——它有多僵硬，组合有多受限。“就在细胞分化并决定改变命运的那一刻，它们所感知到的组织的物质性质发生了变化。”据他说，在组织内的细胞决定自己命运的那一刻，组织就会失去硬度。

展望未来

在这项研究中尚未被证实的是一个复杂的问题，即胚胎环境中硬度的变化是否会导致细胞状态的变化，如果是的话，又是如何导致的。“细胞集体构建的结构的机械特征，如组织或器官，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到的力学线索。这种相互作用是大自然如何构建生物的核心。”

这项研究的发现可能对组织工程也有重要的意义。模仿胚胎组织泡沫状特征的潜在材料，而不是广泛使用的合成聚合物或凝胶支架，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机械特性，以实现所需的功能。

Mechanics of the cellular microenvironment as probed by cells in vivo during zebrafish presomitic mesoderm differentiation