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用于探測(cè)3D微組織流變性的光驅(qū)動(dòng)生物執(zhí)行器

2023-02-27
來(lái)源:MEMS

  組織工程具有開(kāi)發(fā)體外器官模型系統(tǒng)的巨大潛力。隨著2000年代后期開(kāi)始的小型化趨勢(shì),三維(3D)微組織模型已被用于研究受損纖維組織的修復(fù),、心肌和肺組織的形成和成熟等組織生物學(xué)的基本特征,。此外,由于具有較高的空間和時(shí)間分辨率,,光遺傳學(xué)已成為時(shí)空控制細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的強(qiáng)大工具。

  目前,通過(guò)對(duì)RhoA活性進(jìn)行光遺傳學(xué)控制,,已有一些研究可以使用光脈沖來(lái)局部上調(diào)或下調(diào)細(xì)胞產(chǎn)生的力。Valon等人的進(jìn)一步研究證明,,細(xì)胞張力的變化與二維上皮單層中的組織變形有關(guān),,表明細(xì)胞具有作為機(jī)械執(zhí)行器的潛力。這種生物執(zhí)行器可用于使用光誘導(dǎo)的生理機(jī)械刺激來(lái)探測(cè)組織力學(xué),。

  據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,,近期,法國(guó)格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)(University Grenoble Alpes)的研究人員結(jié)合組織工程和光遺傳學(xué)技術(shù),,設(shè)計(jì)了由封裝在膠原蛋白中的光基因修飾的成纖維細(xì)胞組成的微組織,,并通過(guò)利用光來(lái)控制調(diào)節(jié)細(xì)胞收縮性的主要因子——RhoA的活性,成功在微組織內(nèi)誘導(dǎo)了局部收縮,,并實(shí)現(xiàn)了對(duì)微組織應(yīng)力和應(yīng)變的監(jiān)測(cè),。相關(guān)研究成果以“Light-driven biological actuators to probe the rheology of 3D microtissues”為題,發(fā)表于Nature Communications期刊,。

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  圖1 微組織的光控收縮

  基于所提出的組織工程耦合光遺傳學(xué)的方法,,該研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)微組織特定部分應(yīng)力的時(shí)空控制和測(cè)量,并通過(guò)粒子圖像測(cè)速儀(PIV)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)組織應(yīng)變的推斷,。此外,,研究人員對(duì)微組織的流變性進(jìn)行了探索,并證明了所提出的方法在量化懸臂剛度,、細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)以及成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞的分化對(duì)組織彈性的影響方面的潛力,。最后,,該研究展示了所提出的方法在機(jī)械異質(zhì)性微組織中測(cè)定局部各向異性,以及在組織形成過(guò)程中使用重復(fù)刺激影響組織結(jié)構(gòu)的能力,。

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  圖2 光遺傳學(xué)誘導(dǎo)收縮的各向異性與微組織結(jié)構(gòu)相關(guān)

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  圖3 光誘導(dǎo)的局部收縮證明了微組織的粘彈性

  總之,,組織工程和光遺傳學(xué)的結(jié)合提供了獨(dú)特的方法來(lái)定量證明物理和生物參數(shù)對(duì)3D組織中細(xì)胞引起的機(jī)械擾動(dòng)的產(chǎn)生、傳播和傳感的影響,。最重要的是,,該方法為使用構(gòu)成3D組織的細(xì)胞本身作為內(nèi)部執(zhí)行器實(shí)時(shí)和非破壞性地探測(cè)3D組織的流變性鋪平了道路??偠灾?,將細(xì)胞收縮性的光遺傳學(xué)控制與專門設(shè)計(jì)的具有特定幾何形狀的微組織以及相應(yīng)的計(jì)算模型結(jié)合,可以提供一種強(qiáng)大的方法來(lái)分析機(jī)械邊界約束,、細(xì)胞收縮性,、細(xì)胞外基質(zhì)密度、排列和機(jī)械特性之間復(fù)雜的相互作用,。

  然而,,由于該方法通過(guò)利用組織中的一部分(受刺激的部分)的收縮來(lái)拉伸另一部分(未受刺激的部分)的方式來(lái)探測(cè)后者的機(jī)械特性,因此它本質(zhì)上需要肌動(dòng)球蛋白的活躍運(yùn)轉(zhuǎn),,這可能使對(duì)于細(xì)胞骨架成分在調(diào)節(jié)組織力學(xué)中的作用的研究復(fù)雜化,。事實(shí)上,完全抑制微組織的收縮能力,,例如使用高劑量的肌動(dòng)球蛋白靶向藥物,,會(huì)阻礙該方法的使用。然而,,只要收縮機(jī)制至少部分活躍,,該方法就仍然有效,,例如,,只使用中小劑量的肌動(dòng)球蛋白靶向藥物。

  此外,,盡管CRY2富集到細(xì)胞膜的速度非??欤◣酌腌姡慕怆x速度較慢(幾分鐘),,而RhoA通路的激活導(dǎo)致細(xì)胞先發(fā)生時(shí)長(zhǎng)數(shù)十秒的收縮性激活,,而后歷經(jīng)更為緩慢的時(shí)長(zhǎng)幾分鐘的松弛。因此,,細(xì)胞誘導(dǎo)性收縮和松弛需要將近20分鐘,,因此無(wú)法將其用于探測(cè)快速機(jī)械變化或量化微組織在不同頻率下的時(shí)間依賴性機(jī)械響應(yīng)。最后,,該方法中的光遺傳學(xué)靶標(biāo)RhoA有許多下游效應(yīng)器,。雖然該研究使用單一的,、短時(shí)間的刺激來(lái)誘導(dǎo)微組織的彈性反應(yīng),而不產(chǎn)生類似細(xì)胞骨架重塑等類型的持久影響,,仍然不能排除可能存在通過(guò)例如RhoA的自我放大和自我抑制產(chǎn)生的脫靶效應(yīng),。



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