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閱讀：306發(fā)布時(shí)間：2017-5-27
新工具有助揭示胚胎發(fā)育等細(xì)胞過(guò)程
在顯微鏡下，細(xì)胞通常處于靜止?fàn)顟B(tài)，但實(shí)際上它們是動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。細(xì)胞擠壓、拉伸、彎曲，以及穿越周圍環(huán)境，這時(shí)它們會(huì)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(zhǎng)的胚胎中，這種變化的力能改變細(xì)胞發(fā)育進(jìn)程，“告訴”它們何時(shí)停止分化以及開(kāi)始轉(zhuǎn)化。
早在 1 個(gè)世紀(jì)前，這種物理力影響細(xì)胞功能的概念就已經(jīng)被提出。當(dāng)時(shí)，蘇格蘭科學(xué)家 DArcy Thompson 指出，“細(xì)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(dòng)、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(gè)非常古老的領(lǐng)域，人們已經(jīng)忽略了很長(zhǎng)時(shí)間。”德國(guó)馬普學(xué)會(huì)生物化學(xué)所細(xì)胞力學(xué)專家 Carsten Grashoff 說(shuō)。部分原因是，研究人員缺乏測(cè)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(xì)胞隨著創(chuàng)口愈合“匍匐前進(jìn)”的圖像。當(dāng)然，障礙依然存在，科學(xué)家仍在努力區(qū)分細(xì)胞力和隨機(jī)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(guò)程。但通過(guò)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(kāi)始了解這些力是如何被轉(zhuǎn)化為功能的。
“生命過(guò)程不僅是一個(gè)生物化學(xué)信號(hào)通路。”美國(guó)斯坦福大學(xué)力學(xué)工程師 Beth Pruitt 說(shuō)，“當(dāng)你拉一個(gè)蛋白質(zhì)時(shí)，你可能要打開(kāi)或關(guān)閉一個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，而拉動(dòng)開(kāi)關(guān)以選擇哪個(gè)進(jìn)程的是一個(gè)細(xì)胞。”
獲得牽引力
細(xì)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(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)。一些蛋白質(zhì)在被流動(dòng)的液體“擠壓”時(shí)，會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)，例如血管中發(fā)生的作用過(guò)程，還有一些蛋白質(zhì)當(dāng)細(xì)胞受到鄰居擠壓或其他蛋白質(zhì)接近時(shí)會(huì)釋放拉力相關(guān)信號(hào)。
上世紀(jì) 90 年代，科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一個(gè)名叫牽引力顯微鏡（TFM）的工具。TFM 成為*能定量測(cè)量這些力的工具。例如，1999 年，當(dāng)時(shí)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(xì)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(guò)測(cè)量小球發(fā)生的位移，推斷出了細(xì)胞產(chǎn)生的力。“這就像是一桿彈簧秤。”德國(guó)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(shuō)，“當(dāng)你將重量施加外力到一個(gè)彈簧上，并測(cè)量其形變，如果知曉彈簧的強(qiáng)度多大，你就能判斷這個(gè)外力有多大。”
目前，TFM 已經(jīng)成為研究單個(gè)細(xì)胞和互聯(lián)細(xì)胞的標(biāo)準(zhǔn)方法。美國(guó)馬里蘭州心臟、肺部和血液國(guó)立研究所的 Clare Waterman 就曾使用 TFM 研究細(xì)胞移動(dòng)，這一過(guò)程的力在一定程度上是由被稱為黏著斑的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的所施加的。當(dāng)它們要停靠在周圍的細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）時(shí)，會(huì)施加作用力。
Waterman 團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)出新方法，以增加小球的數(shù)量，從而成像 TFM 實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生超高分辨率圖像。“我們?cè)诿總€(gè)黏著斑下設(shè)置了 50 個(gè)標(biāo)記。”她說(shuō)。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(yùn)動(dòng)。
當(dāng)然，細(xì)胞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的移動(dòng)比一維的彈簧秤更復(fù)雜。即便現(xiàn)代計(jì)算方法已經(jīng)讓 TFM 技術(shù)更易使用，但zui初它仍需要強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)解釋數(shù)據(jù)。
即便如此，該技術(shù)還存在許多潛在錯(cuò)誤源。“如果有一個(gè)細(xì)胞向相反方向拉伸，那它就看上去基本沒(méi)有變形。”Waterman 說(shuō)，“當(dāng)小球的運(yùn)動(dòng)超出細(xì)胞邊界時(shí)，也難以處理。”
其他團(tuán)隊(duì)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(shí)。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(xì)胞力的 3D 模型。該團(tuán)隊(duì)能探測(cè)到癌細(xì)胞的形狀、產(chǎn)生的力量以及運(yùn)動(dòng)的速度和方向。
此外，為了突破計(jì)算負(fù)擔(dān)，普林斯頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師 Celeste Nelson 無(wú)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(wàn)細(xì)胞整體的力的量級(jí)相對(duì)差異。”她說(shuō)。
更多新工具
作為一個(gè)更簡(jiǎn)單的選擇項(xiàng)，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(xì)胞力。該工具由波士頓大學(xué)生物工程師 Christopher Chen 及同事開(kāi)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(xì)胞附著。“它們有點(diǎn)像迷你彈簧。”Chen 的前博士后 Jianping Fu 說(shuō)，“通過(guò)測(cè)量彎曲，人們能鑒別和測(cè)定施加在每個(gè)柱上的外力。”
微柱陣列數(shù)據(jù)能更簡(jiǎn)單地解釋 TFM 實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，而且所需的計(jì)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(huì)施加一個(gè)細(xì)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(guò)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(xì)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(xì)胞的物理基礎(chǔ)，并有助于其傳導(dǎo)和響應(yīng)外力。反過(guò)來(lái)說(shuō)，這也能影響細(xì)胞的增殖、運(yùn)動(dòng)和成熟。
其他研究人員則使用分子傳感器測(cè)量測(cè)量細(xì)胞力。這些設(shè)備能產(chǎn)生熒光信號(hào)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(gè)熒光分子或熒光團(tuán)的物理位置接近另一個(gè)時(shí)，會(huì)相互激發(fā)。Grashoff 與其同事曾開(kāi)發(fā)出一個(gè)基于 FRET 的拉力傳感器。
還有團(tuán)隊(duì)使用不需要硬塞進(jìn)蛋白質(zhì)的傳感器測(cè)量細(xì)胞外力。埃默里大學(xué)生物物理學(xué)家 Khalid Salaita 團(tuán)隊(duì)就開(kāi)發(fā)出數(shù)個(gè)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(gè)生物分子，能綁定目標(biāo)細(xì)胞表面蛋白。
積極力量
科學(xué)家能測(cè)量細(xì)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(jià)值的臨床效益。Salaita 認(rèn)為，測(cè)量單個(gè)細(xì)胞的力的實(shí)驗(yàn)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(dòng)和入侵腫瘤細(xì)胞是致死性的，如果你既能關(guān)閉相關(guān)過(guò)程，而且藥物又沒(méi)有細(xì)胞毒素，那可能是更的工具。”他說(shuō)。
但也有很多生物學(xué)問(wèn)題需要在組織或器官層面上進(jìn)行探索。“你無(wú)法利用分離的細(xì)胞預(yù)測(cè)組織。”Nelson 說(shuō)，“細(xì)胞間的連接似乎對(duì)組織內(nèi)力的產(chǎn)生和傳輸十分重要。”
在許多實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)使用干細(xì)胞分化成特定組織，例如 Pruitt 利用干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)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(rèn)為，總體而言，該領(lǐng)域正揭示在組織zui終形成時(shí)發(fā)揮大作用的機(jī)械力。”她說(shuō)。
但科學(xué)家仍需要更多工具。大部分力值測(cè)量實(shí)驗(yàn)曠日持久，這就限制了其應(yīng)用價(jià)值，例如，藥物篩選就需要平行分析大量細(xì)胞。Fabry 的團(tuán)隊(duì)則正在開(kāi)發(fā)自動(dòng)化和加速 TFM 實(shí)驗(yàn)的方法。“我們希望在一個(gè) 3D 模型中同時(shí)測(cè)量數(shù)萬(wàn)細(xì)胞的響應(yīng)。”他說(shuō)。
此外，在活體中測(cè)量細(xì)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(jī)械工程師 Otger Campàs 及同事，近期設(shè)計(jì)出另一種設(shè)備。該團(tuán)隊(duì)向活體中注射帶有熒光顆粒的油滴，這些油滴經(jīng)過(guò)蛋白質(zhì)修飾能綁定到細(xì)胞表面。通過(guò)測(cè)量油滴的形變，研究人員能判斷細(xì)胞間的作用力。
也許zui根本的是，需要一種實(shí)驗(yàn)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(wèn)題。”Nelson 說(shuō)。
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