布朗大学研究人员开发的一项新技术揭示了生物组织形成和生长过程中在细胞水平上所涉及的力量。该技术可能有助于更好地理解这些过程是如何工作的，以及研究它们如何对环境毒素或药物疗法做出反应。
该技术利用一种高顺应性的聚合物材料制成的细胞大小的球体，可以将其置于组织形成细胞的实验室培养物中。随着组织形成过程的展开，用荧光染料染色的球体的显微镜成像显示了它们受周围细胞压力的变形程度。然后，一种计算算法利用这种变形来计算该细胞微环境中的作用力。
"我们知道机械力是组织形成和发展的重要刺激，但实际上测量这些力是相当困难的，"布朗大学医学科学、工程和整形外科副教授Eric Darling说。"我们开发的这些球体为我们提供了一种极其敏感的技术，用于测量同一样本中随时间变化的这些力。而且我们可以在96孔板上一次测量多个样品，所以这也是一种高通量的方法。"
这项研究是Darling的实验室和Haneesh Kesari实验室的合作，Haneesh Kesari是布朗大学的工程助理教授，也是固体力学专家。Darling和研究生Robert Gutierrez开发了这些球体，并用它们进行了细胞培养实验，而Kesari和研究生方文强则开发了计算力的计算算法。
这些球体由一种名为聚丙烯酰胺的聚合物制成。达林说，这些球体对新形成的组织的行为没有明显的影响，聚丙烯酰胺材料具有高度一致和可调整的机械特性，这使得球体柔软到足以在暴露于细胞力时发生可测量的变形成为可能。
"这其中的关键是拥有一种高度可控的材料，具有非常精确的形状以及微调和均匀的机械刚度，"Kesari说。"如果我们知道球体的属性，那么我们就可以拍摄它们的形状如何变化的照片，并回馈出使这些变化所需的力量。"
作为概念验证，研究人员进行了一系列实验，以测量间充质凝结所涉及的力--在这个过程中，干细胞聚集在一起，并最终分化成组织特定的细胞类型。这个过程是形成牙齿、骨骼、软骨和其他组织的核心。
在一项实验中,该团队将力感球体纳入细胞的培养物中,这些细胞正聚集在一起形成多细胞球。每隔一小时拍摄培养物的显微镜图像，持续14小时，使团队能够跟踪每个培养物所涉及的力随时间的变化。实验表明，在间质凝结过程的前5个小时左右，所涉及的力是高度变化的，然后才稳定下来，形成一个更稳定的力曲线。研究人员说，这是第一次测量到这样的力的动态。
为了帮助验证球体对细胞力真正敏感，研究小组使用细胞骨架抑制剂处理的培养物重复了实验，这种药物可以削弱细胞内部的微小收缩马达。正如预期的那样，球体检测到用药物处理的培养物中的力量明显减弱。
在另一组实验中，研究人员将传感器球体添加到预先形成的细胞团中，观察球体如何被吸收到团中。一些球体经过胶原蛋白涂层处理，使细胞能够与传感器结合，而其他球体则没有涂层。
"我们能够看到涂层和未涂层球体之间的力曲线差异，"达林说。"总的来说，有一个很大的压缩力，但对于涂覆的细胞，我们可以看到细胞直接与球体相互作用，对它们进行拉动，也施加了一个拉伸力。"
Darling说，他希望这项技术能够揭示组织形成过程的基本细节。在未来，它还可能被用来筛选旨在调节这些过程的药物，或者测试环境毒素的影响。它还可能在组织工程中发挥作用。
"如果我们想要生长软骨，知道这些细胞相互施加的力的类型可能会有所帮助，因为我们可能会施加一种与该力曲线相匹配或互补的外力，"达林说。"因此，除了基本的发现之外，我认为这在未来的道路上还有一些转化的潜力。"