新工具有助揭示胚胎髮育等細胞過程
科學家正試著描繪細胞間的作用力。圖片來源：Carsten Grashoff
在顯微鏡下，細胞通常處於靜止狀態，但實際上它們是動態結構。細胞擠壓、拉伸、彎曲，以及穿越周圍環境，這時它們會產生力。這些力非常小，可能只有一隻曲別針重量的十億分之一。但它們卻有深刻的生物學影響。在快速生長的胚胎中，這種變化的力能改變細胞發育進程，「告訴」它們何時停止分化以及開始轉化。
早在1個世紀前，這種物理力影響細胞功能的概念就已經被提出。當時，蘇格蘭科學家DArcy Thompson指出，「細胞和組織、外殼和骨骼、葉片和花，是物質的諸多部分，它們遵循物理學定律，其原則是移動、鍛造和均一。」
Thompson的理論框架為大量生物力學研究鋪平了道路。「生物力學是一個非常古老的領域，人們已經忽略了很長時間。」德國馬普學會生物化學所細胞力學專家Carsten Grashoff說。部分原因是，研究人員缺乏測量分子力的工具。
現在，科學家已經能用顯微鏡描繪皮膚細胞隨著創口癒合「匍匐前進」的圖像。當然，障礙依然存在，科學家仍在努力區分細胞力和隨機生物學噪音，而且他們也難以在活體的複雜內部環境中研究相關過程。但通過將「生物力學」工具和其他基因及生物化學方法相結合，科學家也開始了解這些力是如何被轉化為功能的。
「生命過程不僅是一個生物化學信號通路。」美國斯坦福大學力學工程師Beth Pruitt說，「當你拉一個蛋白質時，你可能要打開或關閉一個結合位點，而拉動開關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。一些蛋白質在被流動的液體「擠壓」時，會產生響應，例如血管中發生的作用過程，還有一些蛋白質當細胞受到鄰居擠壓或其他蛋白質接近時會釋放拉力相關信號。
上世紀90年代，科學家開發出一個名叫牽引力顯微鏡（TFM）的工具。TFM成為首個能定量測量這些力的工具。例如，1999年，當時供職於馬薩諸塞大學醫學院的Yu-Li Wang和波士頓大學的Micah Dembo就曾將纖維母細胞置於凝膠材料中，並嵌入了熒光球。
然後，研究人員使用TFM通過測量小球發生的位移，推斷出了細胞產生的力。「這就像是一桿彈簧秤。」德國弗里德里希·亞歷山大 埃爾朗根·紐倫堡大學生物物理學家Ben Fabry說，「當你將重量施加外力到一個彈簧上，並測量其形變，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已經成為研究單個細胞和互聯細胞的標準方法。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構的所施加的。當它們要停靠在周圍的細胞外基質（ECM）時，會施加作用力。
Waterman團隊還開發出新方法，以增加小球的數量，從而成像TFM實驗，產生超高解析度圖像。「我們在每個黏著斑下設置了50個標記。」她說。這使得其研究組能揭示黏著斑產生的力如何觸發分子事件，以整合分子運動。
當然，細胞運動產生的多維移動比一維的彈簧秤更複雜。即便現代計算方法已經讓TFM技術更易使用，但最初它仍需要強大的超級計算機解釋數據。
即便如此，該技術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技術延伸到3維領域，以便更好地反應生物現實。例如，Fabry及其同事使用凝膠制出的膠原蛋白，構建了追蹤細胞力的3D模型。該團隊能探測到乳腺癌細胞的形狀、產生的力量以及運動的速度和方向。
此外，為了突破計算負擔，普林斯頓大學生物醫學工程師Celeste Nelson無奈接受了其器官發育研究的低解析度數據。「我們更關心找到貫穿數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。這種設備能直接讀出細胞力。該工具由波士頓大學生物工程師Christopher Chen及同事開發，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，以便細胞附著。「它們有點像迷你彈簧。」Chen的前博士後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。」
微柱陣列數據能更簡單地解釋TFM實驗的數據，而且所需的計算分析也更少。設備本身也易於製造，並與熒光顯微鏡兼容。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細胞支架產生相當大的變化——該蛋白質網路形成了細胞的物理基礎，並有助於其傳導和響應外力。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感測器測量測量細胞力。這些設備能產生熒光信號響應拉力的小規模變化。此類感測器主要基於熒光共振能量轉移（FRET），該現象是當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。Grashoff與其同事曾開發出一個基於FRET的拉力感測器。
還有團隊使用不需要硬塞進蛋白質的感測器測量細胞外力。埃默里大學生物物理學家Khalid Salaita團隊就開發出數個此類探針，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，能綁定目標細胞表面蛋白。
積極力量
科學家能測量細胞內的作用力本身就值得歡欣鼓舞。這些洞察結果將產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於科學家鑒別那些能直接干預腫瘤發展的藥物的安全性。
「移動和入侵腫瘤細胞是致死性的，如果你既能關閉相關過程，而且藥物又沒有細胞毒素，那可能是更精確的工具。」他說。
但也有很多生物學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測組織。」Nelson說，「細胞間的連接似乎對組織內力的產生和傳輸十分重要。」
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的力。也有團隊使用幹細胞分化成特定組織，例如Pruitt利用幹細胞衍生的心肌細胞研究心臟病的生物力學效應。
Nelson希望科學家最終能探索出Thompson百年假設的影響。「我認為，總體而言，該領域正揭示在組織最終形成時發揮大作用的機械力。」她說。
但科學家仍需要更多工具。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模型中同時測量數萬細胞的響應。」他說。
此外，在活體中測量細胞力也是一大挑戰。FRET感測器提供了一種解決方案，而加州大學聖塔芭芭拉分校機械工程師Otger Campàs及同事，近期設計出另一種設備。該團隊向活體中注射帶有熒光顆粒的油滴，這些油滴經過蛋白質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。
也許最根本的是，需要一種實驗技術幫助科學家更精確地操縱力響應分子。「這將有助於我們直接回答許多問題。」Nelson說。
中國生物技術網誠邀生物領域科學家在我們的平台上，發表和介紹國內外原創的科研成果。
本公眾號由中國科學院微生物研究所信息中心承辦
微信公眾號：中國生物技術網
TAG:中國生物技術網 |