當(dāng)細(xì)胞分裂形成多細(xì)胞生物體中的組織和器官時(shí)，它們會(huì)移動(dòng)到它們所屬的位置，這是由科學(xué)家尚未觀察或完全理解的一系列線索所知。傳統(tǒng)上，這些集體運(yùn)動(dòng)已經(jīng)在細(xì)胞類型之間的生物化學(xué)識(shí)別的背景下進(jìn)行了研究。例如，蛋白質(zhì)鈣粘蛋白(在鈣依賴性粘附中發(fā)現(xiàn)并命名)是負(fù)責(zé)細(xì)胞彼此識(shí)別能力的一種元素，其中各種類型的鈣粘蛋白發(fā)生在生物體的不同位點(diǎn)。這些鈣粘蛋白受體使相似的細(xì)胞能夠相互結(jié)合，形成特定類型的組織; 例如，E-cadherin之所以如此命名，是因?yàn)樗嬖谟谏掀ぜ?xì)胞中。

“鈣粘蛋白為細(xì)胞之間的”握手“提供了初始信號(hào)，但它們并不是連接的主要保持者，”加州圣巴巴拉教授和機(jī)械工程師Beth Pruitt說(shuō)，他研究機(jī)械生物學(xué)并正在努力更好地理解細(xì)胞結(jié)合形成組織并在它們經(jīng)歷的正常負(fù)荷下保持其完整性。

了解驅(qū)動(dòng)這種生物作用的化學(xué) - 機(jī)械機(jī)制將更好地定位科學(xué)家開發(fā)治療在識(shí)別過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)出現(xiàn)的病癥和疾病。這包括癌癥轉(zhuǎn)移，癌細(xì)胞失去了對(duì)“類似”細(xì)胞的依賴并從腫瘤中遷移出來(lái)的過(guò)程?；蛘哂腥毕莸陌l(fā)育或傷口愈合，其中類似細(xì)胞不能結(jié)合以構(gòu)建或修復(fù)健康組織。

根據(jù)Pruitt的說(shuō)法，這項(xiàng)研究也有助于開發(fā)用于創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)器官的系統(tǒng)。就體內(nèi)細(xì)胞所經(jīng)歷的機(jī)械性質(zhì)而言，具有合適的支架對(duì)于培養(yǎng)健康的功能細(xì)胞是至關(guān)重要的。

當(dāng)細(xì)胞在發(fā)育或傷口愈合期間向目的地移動(dòng)時(shí)滑過(guò)彼此時(shí)，它們施加剪切力。確切地說(shuō)，這些局部面內(nèi)剪切力如何在整個(gè)組織中擴(kuò)散 - 在集體組織行為中是重要的 - 不被理解，部分是因?yàn)殡y以在組織內(nèi)施加直接的局部剪切。

在eLife期刊上發(fā)表的一篇論文中，Pruitt和她在加州大學(xué)圣巴巴拉分校和斯坦福大學(xué)的共同作者描述了一種新設(shè)備，它允許他們將擾動(dòng)引入系統(tǒng)，觀察細(xì)胞反應(yīng)行為并測(cè)量整體力量，提供新的見(jiàn)解。鈣粘蛋白在細(xì)胞動(dòng)力學(xué)中的作用。微制造裝置沿著剪切平面(例如地震斷層)將細(xì)胞拖過(guò)彼此，同時(shí)通過(guò)在實(shí)驗(yàn)期間充當(dāng)內(nèi)聯(lián)力傳感器的微制造彈簧測(cè)量總力。

研究人員的第一個(gè)問(wèn)題是剪切力是否會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞在發(fā)育或集體遷移過(guò)程中流過(guò)彼此。它沒(méi)有，但細(xì)胞確實(shí)變形，表明剪切作為“扭傷”而不是撕裂。接下來(lái)的問(wèn)題是在“受傷”之后會(huì)發(fā)生什么。答案是：剪切的細(xì)胞向所有其他細(xì)胞發(fā)出信號(hào)，表明發(fā)生了某些事情，他們都需要做出反應(yīng)并適應(yīng)它。

“我們發(fā)現(xiàn)這種中繼依賴于通過(guò)E-鈣粘蛋白結(jié)合和肌動(dòng)蛋白收縮的正常細(xì)胞間相互作用的存在[后者對(duì)所有真核細(xì)胞的物理過(guò)程至關(guān)重要]，”Pruitt說(shuō)。

她進(jìn)一步解釋說(shuō)，未被剪切的單層細(xì)胞已經(jīng)相互傳遞并且具有其他人觀察到的自然振蕩，但是這種振蕩的機(jī)制和原因都不為人所知。在剪切的細(xì)胞單層中觀察到的模式是遷移的自然振蕩的放大變體。在這種集體行為中，細(xì)胞以“波動(dòng)”來(lái)回“跳舞”朝向“傷害”，然后遠(yuǎn)離它，然后朝向它，然后離開，直到細(xì)胞在變形之前恢復(fù)其原始形狀。

“通過(guò)觀察這些振蕩并測(cè)量整體力，正如內(nèi)聯(lián)彈簧所實(shí)現(xiàn)的那樣，我們能夠提出一種機(jī)械模型，其中包括用于模擬上皮細(xì)胞單層的機(jī)械信號(hào)存儲(chǔ)和中繼元件，”Pruitt解釋說(shuō)。“這一元素與細(xì)胞眾所周知的粘彈性特性并行，可以解釋我們觀察到的集體行為。細(xì)胞可能會(huì)在剪切引起的力不平衡后利用這種行為來(lái)維持發(fā)育中組織內(nèi)的張力穩(wěn)態(tài)。”

研究人員表示，他們的研究結(jié)果，以及他們?yōu)檠芯繖C(jī)械生物學(xué)所創(chuàng)造的新設(shè)備，將使科學(xué)家能夠提出關(guān)于其他類型的細(xì)胞如何在多細(xì)胞組織中感知和傳遞力 - 特別是剪切力的新問(wèn)題。