5月14日，國際權(quán)威雜志《自然通訊》發(fā)表了華中科技大學(xué)生命學(xué)院汪寧教授團(tuán)隊研發(fā)的顛覆性技術(shù)（Quantifying compressive forces between living cell layers and within tissues using elastic round microgels）——測量三維生物力的新方法。
近年來研究人員發(fā)現(xiàn)力學(xué)信號對細(xì)胞的生長、發(fā)育、分化都起到重要的作用，但如何定量測量生物力并研究其對細(xì)胞、組織、乃至器官的影響，是一直困擾著科學(xué)界的巨大難題。多年前科學(xué)家們研發(fā)了可以在體外測量二維生物力的方法。但如何在體內(nèi)測量三維生物力一直無人解決。
汪寧教授在2009年提出了生物力醫(yī)學(xué)(MechanoBioMedicine)的新概念。生物力醫(yī)學(xué)主要是運用力學(xué)和工程的基本原理，研究生命活動的力學(xué)機理，研發(fā)可在體外和體內(nèi)運用的新技術(shù)，用來調(diào)控生理微環(huán)境，從而達(dá)到早期癥斷、治療和治愈某些復(fù)雜疾病的目的。生物力是活細(xì)胞內(nèi)肌球蛋白Ⅱ產(chǎn)生的力，是一種電磁力。
汪寧教授幾年前產(chǎn)生了一個靈感：制作尺寸均勻的彈性微球（Elastic Round Microgel, ERMG）來定量測量三維生物力。他們用自己設(shè)計的微流控芯片和彈性藻酸鹽聚合物制作了和細(xì)胞尺寸相近的均勻微型彈性球。每個彈性微球的直徑、力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、與細(xì)胞粘附性質(zhì)都完全一樣。他們在彈性微球中加入了許多熒光納米顆粒來定量彈性球的變形，由此計算出生物力。實驗表明這些與生物體相容并無任何毒副作用的彈性微球和活細(xì)胞粘附后，細(xì)胞對其產(chǎn)生了三維正應(yīng)力和剪切力。經(jīng)過理論計算、模擬實驗和細(xì)胞實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)通過定量測量彈性微球的三維形變和已知彈性球的彈性模量，就可定量測量三維生物力。
在動物體內(nèi)實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)斑馬魚早期胚胎發(fā)育時，不同部位的細(xì)胞在、不同的時間產(chǎn)生了不同的三維生物力。這些發(fā)現(xiàn)為今后研究生物力是如何影響動物體內(nèi)胚胎發(fā)育的結(jié)構(gòu)和功能打下了堅實的基礎(chǔ)。
汪寧教授團(tuán)隊運用彈性微球這一新技術(shù)發(fā)現(xiàn)惡性腫瘤再生細(xì)胞（腫瘤干細(xì)胞）在三維軟基質(zhì)中增生時，即當(dāng)這些癌細(xì)胞克隆逐漸變大時，克隆內(nèi)的壓縮應(yīng)力并沒有增加，這個現(xiàn)象和正常間充質(zhì)干細(xì)胞克隆的增生反應(yīng)完全不同。這個發(fā)現(xiàn)表明惡性腫瘤再生細(xì)胞和正常的干細(xì)胞所產(chǎn)生的三維生物力是完全不同的。測量細(xì)胞間的“生物力”有望成為癌癥早期診斷的一種工具，并有助于解釋阻止癌癥轉(zhuǎn)移的合成藥物如何發(fā)揮作用。
文章主要作者為汪寧在伊利諾伊大學(xué)（UIUC）的博士生Erfan Mohagheghian，生命學(xué)院博士生羅君雨、陳軍見、博士后陳俊威等人。汪寧教授為通訊作者。
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