新工具有助揭示胚胎发育等细胞过程

科学家正试着描绘细胞间的作用力。图片来源：Carsten Grashoff

在显微镜下，细胞通常处于静止状态，但实际上它们是动态结构。细胞挤压、拉伸、弯曲，以及穿越周围环境，这时它们会产生力。这些力非常小，可能只有一只曲别针重量的十亿分之一。但它们却有深刻的生物学影响。在快速生长的胚胎中，这种变化的力能改变细胞发育进程，“告诉”它们何时停止分化以及开始转化。

早在1个世纪前，这种物理力影响细胞功能的概念就已经被提出。当时，苏格兰科学家DArcy Thompson指出，“细胞和组织、外壳和骨骼、叶片和花，是物质的诸多部分，它们遵循物理学定律，其原则是移动、锻造和均一。”

Thompson的理论框架为大量生物力学研究铺平了道路。“生物力学是一个非常古老的领域，人们已经忽略了很长时间。”德国马普学会生物化学所细胞力学专家Carsten Grashoff说。部分原因是，研究人员缺乏测量分子力的工具。

现在，科学家已经能用显微镜描绘皮肤细胞随着创口愈合“匍匐前进”的图像。当然，障碍依然存在，科学家仍在努力区分细胞力和随机生物学噪音，而且他们也难以在活体的复杂内部环境中研究相关过程。但通过将“生物力学”工具和其他基因及生物化学方法相结合，科学家也开始了解这些力是如何被转化为功能的。

“生命过程不仅是一个生物化学信号通路。”美国斯坦福大学力学工程师Beth Pruitt说，“当你拉一个蛋白质时，你可能要打开或关闭一个结合位点，而拉动开关以选择哪个进程的是一个细胞。”

获得牵引力

细胞与其周围环境的相互作用，很大程度上依靠镶嵌在其细胞膜上的蛋白质。一些蛋白质在被流动的液体“挤压”时，会产生响应，例如血管中发生的作用过程，还有一些蛋白质当细胞受到邻居挤压或其他蛋白质接近时会释放拉力相关信号。

上世纪90年代，科学家开发出一个名叫牵引力显微镜（TFM）的工具。TFM成为首个能定量测量这些力的工具。例如，1999年，当时供职于马萨诸塞大学医学院的Yu-Li Wang和波士顿大学的Micah Dembo就曾将纤维母细胞置于凝胶材料中，并嵌入了荧光球。

然后，研究人员使用TFM通过测量小球发生的位移，推断出了细胞产生的力。“这就像是一杆弹簧秤。”德国弗里德里希·亚历山大 埃尔朗根·纽伦堡大学生物物理学家Ben Fabry说，“当你将重量施加外力到一个弹簧上，并测量其形变，如果知晓弹簧的强度多大，你就能判断这个外力有多大。”

目前，TFM已经成为研究单个细胞和互联细胞的标准方法。美国马里兰州心脏、肺部和血液国立研究所的Clare Waterman就曾使用TFM研究细胞移动，这一过程的力在一定程度上是由被称为黏着斑的细胞结构的所施加的。当它们要停靠在周围的细胞外基质（ECM）时，会施加作用力。

Waterman团队还开发出新方法，以增加小球的数量，从而成像TFM实验，产生超高分辨率图像。“我们在每个黏着斑下设置了50个标记。”她说。这使得其研究组能揭示黏着斑产生的力如何触发分子事件，以整合分子运动。

当然，细胞运动产生的多维移动比一维的弹簧秤更复杂。即便现代计算方法已经让TFM技术更易使用，但最初它仍需要强大的超级计算机解释数据。

即便如此，该技术还存在许多潜在错误源。“如果有一个细胞向相反方向拉伸，那它就看上去基本没有变形。”Waterman说，“当小球的运动超出细胞边界时，也难以处理。”

其他团队也在将TFM技术延伸到3维领域，以便更好地反应生物现实。例如，Fabry及其同事使用凝胶制出的胶原蛋白，构建了追踪细胞力的3D模型。该团队能探测到乳腺癌细胞的形状、产生的力量以及运动的速度和方向。

此外，为了突破计算负担，普林斯顿大学生物医学工程师Celeste Nelson无奈接受了其器官发育研究的低分辨率数据。“我们更关心找到贯穿数万细胞整体的力的量级相对差异。”她说。

更多新工具

作为一个更简单的选择项，一些研究人员选择使用更小的高分子聚合物探针。这种设备能直接读出细胞力。该工具由波士顿大学生物工程师Christopher Chen及同事开发，包含一种名为PDMS的弹性材料，其上有一排灵活的柱状物，就像牙刷的刷毛。

这些纳米柱上覆盖着ECM蛋白质，以便细胞附着。“它们有点像迷你弹簧。”Chen的前博士后Jianping Fu说，“通过测量弯曲，人们能鉴别和测定施加在每个柱上的外力。”

微柱阵列数据能更简单地解释TFM实验的数据，而且所需的计算分析也更少。设备本身也易于制造，并与荧光显微镜兼容。但这些阵列也会施加一个细胞及其基质相互作用的特殊模式。而且，这一模式还受到柱子的排列及尺寸影响。

研究人员还能通过改变微柱的排列，定做培养基表面。更短、更粗的柱子更僵硬且不易弯曲。柱子的此类变化能触发细胞支架产生相当大的变化——该蛋白质网络形成了细胞的物理基础，并有助于其传导和响应外力。反过来说，这也能影响细胞的增殖、运动和成熟。

其他研究人员则使用分子传感器测量测量细胞力。这些设备能产生荧光信号响应拉力的小规模变化。此类传感器主要基于荧光共振能量转移（FRET），该现象是当一个荧光分子或荧光团的物理位置接近另一个时，会相互激发。Grashoff与其同事曾开发出一个基于FRET的拉力传感器。

还有团队使用不需要硬塞进蛋白质的传感器测量细胞外力。埃默里大学生物物理学家Khalid Salaita团队就开发出数个此类探针，其一端固定在玻璃载片等固体表面，另一端则是一个生物分子，能绑定目标细胞表面蛋白。

积极力量

科学家能测量细胞内的作用力本身就值得欢欣鼓舞。这些洞察结果将产生有价值的临床效益。Salaita认为，测量单个细胞的力的实验将有助于科学家鉴别那些能直接干预肿瘤发展的药物的安全性。

“移动和入侵肿瘤细胞是致死性的，如果你既能关闭相关过程，而且药物又没有细胞毒素，那可能是更精确的工具。”他说。

但也有很多生物学问题需要在组织或器官层面上进行探索。“你无法利用分离的细胞预测组织。”Nelson说，“细胞间的连接似乎对组织内力的产生和传输十分重要。”

在许多实验中，Nelson使用人造上皮组织研究了与器官形成有关的力。也有团队使用干细胞分化成特定组织，例如Pruitt利用干细胞衍生的心肌细胞研究心脏病的生物力学效应。

Nelson希望科学家最终能探索出Thompson百年假设的影响。“我认为，总体而言，该领域正揭示在组织最终形成时发挥大作用的机械力。”她说。

但科学家仍需要更多工具。大部分力值测量实验旷日持久，这就限制了其应用价值，例如，药物筛选就需要平行分析大量细胞。Fabry的团队则正在开发自动化和加速TFM实验的方法。“我们希望在一个3D模型中同时测量数万细胞的响应。”他说。

此外，在活体中测量细胞力也是一大挑战。FRET传感器提供了一种解决方案，而加州大学圣塔芭芭拉分校机械工程师Otger Campàs及同事，近期设计出另一种设备。该团队向活体中注射带有荧光颗粒的油滴，这些油滴经过蛋白质修饰能绑定到细胞表面。通过测量油滴的形变，研究人员能判断细胞间的作用力。

也许最根本的是，需要一种实验技术帮助科学家更精确地操纵力响应分子。“这将有助于我们直接回答许多问题。”Nelson说。

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