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生命学院汪宁教授团队研发测量三维生物力的新技术
时间:2018-05-14 浏览次数:

  5月14日,国际权威杂志《自然·通讯》(Nature Communications)发表了生命学院汪宁教授团队研发的颠覆性技术——测量三维生物力的新方法。

  在《自然·通讯》这篇题为《用弹性微球定量测量细胞和组织的压缩力》(Quantifying compressive forces between living cell layers and within tissues using elastic round microgels)的论文中,主要作者为汪宁教授在伊利诺伊大学(UIUC)的博士生Erfan Mohagheghian,生命学院博士生罗君雨、陈军见、博士后陈俊威等人。我校为第一作者单位。汪宁教授是资深通讯作者。

  近年来研究人员发现力学信号对细胞的生长、发育、分化都起到重要的作用,但如何定量测量生物力并研究其对细胞、组织、乃至器官的影响,是一直困扰着科学界的巨大难题。多年前科学家们研发了可以在体外测量二维生物力的方法。但如何在体内测量三维生物力一直无人解决。

  汪宁教授在2009年提出了生物力医学(MechanoBioMedicine)的新概念。生物力医学主要是运用力学和工程的基本原理,研究生命活动的力学机理,研发可在体外和体内运用的新技术,用来调控生理微环境,从而达到早期症断、治疗和治愈某些复杂疾病的目的。生物力是活细胞内肌球蛋白Ⅱ产生的力,是一种电磁力。

  汪宁教授几年前产生了一个灵感:制作尺寸均匀的弹性微球(Elastic Round Microgel, ERMG)来定量测量三维生物力。他们用自己设计的微流控芯片和弹性藻酸盐聚合物制作了和细胞尺寸相近的均匀微型弹性球。每个弹性微球的直径、力学性质、化学性质、与细胞粘附性质都完全一样。他们在弹性微球中加入了许多荧光纳米颗粒来定量弹性球的变形,由此计算出生物力。实验表明这些与生物体相容并无任何毒副作用的弹性微球和活细胞粘附后,细胞对其产生了三维正应力和剪切力。经过理论计算、模拟实验和细胞实验,研究人员发现通过定量测量弹性微球的三维形变和已知弹性球的弹性模量,就可定量测量三维生物力。

  在动物体内实验中,研究人员发现斑马鱼早期胚胎发育时,不同部位的细胞在、不同的时间产生了不同的三维生物力。这些发现为今后研究生物力是如何影响动物体内胚胎发育的结构和功能打下了坚实的基础。

  汪宁教授团队运用弹性微球这一新技术发现恶性肿瘤再生细胞(肿瘤干细胞)在三维软基质中增生时,即当这些癌细胞克隆逐渐变大时,克隆内的压缩应力并没有增加,这个现象和正常间充质干细胞克隆的增生反应完全不同。这个发现表明恶性肿瘤再生细胞和正常的干细胞所产生的三维生物力是完全不同的。



  最近汪宁教授团队和中科院有机所俞飚研究员团队共同研发了抑制癌转移的新药WYC-209 (http://news.hust.edu.cn/2018/0412/c155a90376/page.htm)。弹性微球这一新技术将来可以被用来进一步研究生物力在恶性肿瘤转移过程中所起的作用和WYC-209是如何在体内抑制癌转移的。



供稿单位:细胞生物力学与再生医学实验室

通讯员:韦富香