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上海鈺博生物科技有限公司
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閱讀：308發(fā)布時間：2017-5-27
新工具有助揭示胚胎發(fā)育等細胞過程
在顯微鏡下，細胞通常處于靜止?fàn)顟B(tài)，但實際上它們是動態(tài)結(jié)構(gòu)。細胞擠壓、拉伸、彎曲，以及穿越周圍環(huán)境，這時它們會產(chǎn)生力。這些力非常小，可能只有一只曲別針重量的十億分之一。但它們卻有深刻的生物學(xué)影響。在快速生長的胚胎中，這種變化的力能改變細胞發(fā)育進程，“告訴”它們何時停止分化以及開始轉(zhuǎn)化。
早在 1 個世紀(jì)前，這種物理力影響細胞功能的概念就已經(jīng)被提出。當(dāng)時，蘇格蘭科學(xué)家 DArcy Thompson 指出，“細胞和組織、外殼和骨骼、葉片和花，是物質(zhì)的諸多部分，它們遵循物理學(xué)定律，其原則是移動、鍛造和均一。”
Thompson 的理論框架為大量生物力學(xué)研究鋪平了道路。“生物力學(xué)是一個非常古老的領(lǐng)域，人們已經(jīng)忽略了很長時間。”德國馬普學(xué)會生物化學(xué)所細胞力學(xué)專家 Carsten Grashoff 說。部分原因是，研究人員缺乏測量分子力的工具。
現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)能用顯微鏡描繪皮膚細胞隨著創(chuàng)口愈合“匍匐前進”的圖像。當(dāng)然，障礙依然存在，科學(xué)家仍在努力區(qū)分細胞力和隨機生物學(xué)噪音，而且他們也難以在活體的復(fù)雜內(nèi)部環(huán)境中研究相關(guān)過程。但通過將“生物力學(xué)”工具和其他基因及生物化學(xué)方法相結(jié)合，科學(xué)家也開始了解這些力是如何被轉(zhuǎn)化為功能的。
“生命過程不僅是一個生物化學(xué)信號通路。”美國斯坦福大學(xué)力學(xué)工程師 Beth Pruitt 說，“當(dāng)你拉一個蛋白質(zhì)時，你可能要打開或關(guān)閉一個結(jié)合位點，而拉動開關(guān)以選擇哪個進程的是一個細胞。”
獲得牽引力
細胞與其周圍環(huán)境的相互作用，很大程度上依靠鑲嵌在其細胞膜上的蛋白質(zhì)。一些蛋白質(zhì)在被流動的液體“擠壓”時，會產(chǎn)生響應(yīng)，例如血管中發(fā)生的作用過程，還有一些蛋白質(zhì)當(dāng)細胞受到鄰居擠壓或其他蛋白質(zhì)接近時會釋放拉力相關(guān)信號。
上世紀(jì) 90 年代，科學(xué)家開發(fā)出一個名叫牽引力顯微鏡（TFM）的工具。TFM 成為*能定量測量這些力的工具。例如，1999 年，當(dāng)時供職于馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的 Yu-Li Wang 和波士頓大學(xué)的 Micah Dembo 就曾將纖維母細胞置于凝膠材料中，并嵌入了熒光球。
然后，研究人員使用 TFM 通過測量小球發(fā)生的位移，推斷出了細胞產(chǎn)生的力。“這就像是一桿彈簧秤。”德國弗里德里希·亞歷山大 埃爾朗根·紐倫堡大學(xué)生物物理學(xué)家 Ben Fabry 說，“當(dāng)你將重量施加外力到一個彈簧上，并測量其形變，如果知曉彈簧的強度多大，你就能判斷這個外力有多大。”
目前，TFM 已經(jīng)成為研究單個細胞和互聯(lián)細胞的標(biāo)準(zhǔn)方法。美國馬里蘭州心臟、肺部和血液國立研究所的 Clare Waterman 就曾使用 TFM 研究細胞移動，這一過程的力在一定程度上是由被稱為黏著斑的細胞結(jié)構(gòu)的所施加的。當(dāng)它們要停靠在周圍的細胞外基質(zhì)（ECM）時，會施加作用力。
Waterman 團隊還開發(fā)出新方法，以增加小球的數(shù)量，從而成像 TFM 實驗，產(chǎn)生超高分辨率圖像。“我們在每個黏著斑下設(shè)置了 50 個標(biāo)記。”她說。這使得其研究組能揭示黏著斑產(chǎn)生的力如何觸發(fā)分子事件，以整合分子運動。
當(dāng)然，細胞運動產(chǎn)生的移動比一維的彈簧秤更復(fù)雜。即便現(xiàn)代計算方法已經(jīng)讓 TFM 技術(shù)更易使用，但zui初它仍需要強大的超級計算機解釋數(shù)據(jù)。
即便如此，該技術(shù)還存在許多潛在錯誤源。“如果有一個細胞向相反方向拉伸，那它就看上去基本沒有變形。”Waterman 說，“當(dāng)小球的運動超出細胞邊界時，也難以處理。”
其他團隊也在將 TFM 技術(shù)延伸到 3 維領(lǐng)域，以便更好地反應(yīng)生物現(xiàn)實。例如，F(xiàn)abry 及其同事使用凝膠制出的膠原蛋白，構(gòu)建了追蹤細胞力的 3D 模型。該團隊能探測到癌細胞的形狀、產(chǎn)生的力量以及運動的速度和方向。
此外，為了突破計算負擔(dān)，普林斯頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師 Celeste Nelson 無奈接受了其器官發(fā)育研究的低分辨率數(shù)據(jù)。“我們更關(guān)心找到貫穿數(shù)萬細胞整體的力的量級相對差異。”她說。
更多新工具
作為一個更簡單的選擇項，一些研究人員選擇使用更小的高分子聚合物探針。這種設(shè)備能直接讀出細胞力。該工具由波士頓大學(xué)生物工程師 Christopher Chen 及同事開發(fā)，包含一種名為 PDMS 的彈性材料，其上有一排靈活的柱狀物，就像牙刷的刷毛。
這些納米柱上覆蓋著 ECM 蛋白質(zhì)，以便細胞附著。“它們有點像迷你彈簧。”Chen 的前博士后 Jianping Fu 說，“通過測量彎曲，人們能鑒別和測定施加在每個柱上的外力。”
微柱陣列數(shù)據(jù)能更簡單地解釋 TFM 實驗的數(shù)據(jù)，而且所需的計算分析也更少。設(shè)備本身也易于制造，并與熒光顯微鏡兼容。但這些陣列也會施加一個細胞及其基質(zhì)相互作用的特殊模式。而且，這一模式還受到柱子的排列及尺寸影響。
研究人員還能通過改變微柱的排列，定做培養(yǎng)基表面。更短、更粗的柱子更僵硬且不易彎曲。柱子的此類變化能觸發(fā)細胞支架產(chǎn)生相當(dāng)大的變化——該蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)形成了細胞的物理基礎(chǔ)，并有助于其傳導(dǎo)和響應(yīng)外力。反過來說，這也能影響細胞的增殖、運動和成熟。
其他研究人員則使用分子傳感器測量測量細胞力。這些設(shè)備能產(chǎn)生熒光信號響應(yīng)拉力的小規(guī)模變化。此類傳感器主要基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET），該現(xiàn)象是當(dāng)一個熒光分子或熒光團的物理位置接近另一個時，會相互激發(fā)。Grashoff 與其同事曾開發(fā)出一個基于 FRET 的拉力傳感器。
還有團隊使用不需要硬塞進蛋白質(zhì)的傳感器測量細胞外力。埃默里大學(xué)生物物理學(xué)家 Khalid Salaita 團隊就開發(fā)出數(shù)個此類探針，其一端固定在玻璃載片等固體表面，另一端則是一個生物分子，能綁定目標(biāo)細胞表面蛋白。
積極力量
科學(xué)家能測量細胞內(nèi)的作用力本身就值得歡欣鼓舞。這些洞察結(jié)果將產(chǎn)生有價值的臨床效益。Salaita 認為，測量單個細胞的力的實驗將有助于科學(xué)家鑒別那些能直接干預(yù)腫瘤發(fā)展的藥物的安全性。
“移動和入侵腫瘤細胞是致死性的，如果你既能關(guān)閉相關(guān)過程，而且藥物又沒有細胞毒素，那可能是更的工具。”他說。
但也有很多生物學(xué)問題需要在組織或器官層面上進行探索。“你無法利用分離的細胞預(yù)測組織。”Nelson 說，“細胞間的連接似乎對組織內(nèi)力的產(chǎn)生和傳輸十分重要。”
在許多實驗中，Nelson 使用人造上皮組織研究了與器官形成有關(guān)的力。也有團隊使用干細胞分化成特定組織，例如 Pruitt 利用干細胞衍生的心肌細胞研究心臟病的生物力學(xué)效應(yīng)。
Nelson 希望科學(xué)家zui終能探索出 Thompson 百年假設(shè)的影響。“我認為，總體而言，該領(lǐng)域正揭示在組織zui終形成時發(fā)揮大作用的機械力。”她說。
但科學(xué)家仍需要更多工具。大部分力值測量實驗曠日持久，這就限制了其應(yīng)用價值，例如，藥物篩選就需要平行分析大量細胞。Fabry 的團隊則正在開發(fā)自動化和加速 TFM 實驗的方法。“我們希望在一個 3D 模型中同時測量數(shù)萬細胞的響應(yīng)。”他說。
此外，在活體中測量細胞力也是一大挑戰(zhàn)。FRET 傳感器提供了一種解決方案，而加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校機械工程師 Otger Campàs 及同事，近期設(shè)計出另一種設(shè)備。該團隊向活體中注射帶有熒光顆粒的油滴，這些油滴經(jīng)過蛋白質(zhì)修飾能綁定到細胞表面。通過測量油滴的形變，研究人員能判斷細胞間的作用力。
也許zui根本的是，需要一種實驗技術(shù)幫助科學(xué)家更地操縱力響應(yīng)分子。“這將有助于我們直接回答許多問題。”Nelson 說。
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