微小的熒光球（小紅點(diǎn)和小插圖）可用于在生物組織形成和生長時(shí)在細(xì)胞水平上測量力。球體在周圍細(xì)胞向其施加力時(shí)發(fā)生變形，該變形用于計(jì)算力。

布朗大學(xué)研究人員開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)揭示了生物組織形成和生長過程中涉及細(xì)胞水平的力。該技術(shù)可能有助于更好地了解這些過程的工作方式，并研究它們?nèi)绾螌?duì)環(huán)境毒素或藥物療法產(chǎn)生反應(yīng)。

如《生物材料》雜志所述，該技術(shù)利用了由高度順應(yīng)性聚合物材料制成的細(xì)胞大小的球體，可以將其放置在組織形成細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)物中。隨著組織形成過程的展開，用熒光染料染色的球體的顯微鏡成像揭示了它們在周圍細(xì)胞壓力的作用下變形的程度。然后，一種計(jì)算算法使用該變形來計(jì)算在該細(xì)胞微環(huán)境中起作用的力。

布朗醫(yī)學(xué)科學(xué)，工程與骨科副教授埃里克·達(dá)林（Eric Darling）表示：“我們知道機(jī)械力是組織形成和發(fā)展的重要刺激，但實(shí)際上測量這些力非常困難�！拔覀冮_發(fā)的這些球體為我們提供了一種非常靈敏的技術(shù)，可以測量同一樣本中隨時(shí)間變化的力。而且我們可以在96孔板上同時(shí)處理多個(gè)樣本，因此這是一種高通量方法也一樣�！�

這項(xiàng)研究是達(dá)令實(shí)驗(yàn)室與Haneesh Kesari實(shí)驗(yàn)室之間的合作，后者是Brown的工程學(xué)助理教授和固體力學(xué)專家。達(dá)令（Darling）和研究生羅伯特·古鐵雷斯（Robert Gutierrez）開發(fā)了球體并進(jìn)行了細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，而凱薩里（Kesari）和研究生方文強(qiáng)（Wenqiang Fang）開發(fā)了計(jì)算力的計(jì)算算法。

這些球是由一種叫做聚丙烯酰胺的聚合物制成的。達(dá)林說，球體對(duì)新形成的組織的行為沒有明顯影響，聚丙烯酰胺材料具有高度一致和可調(diào)節(jié)的機(jī)械性能，這使得使球體足夠柔軟以至于在受到細(xì)胞力的作用下可測量地變形是可能的。

Kesari說：“關(guān)鍵是要使用高度受控的材料，具有非常精確的形狀以及經(jīng)過微調(diào)和均勻的機(jī)械剛度。” “如果我們知道球體的性質(zhì)，那么我們就可以拍攝它們的形狀如何變化的照片，并消除做出這些改變所必需的力。”

作為概念的證明，研究人員進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)來測量間充質(zhì)凝結(jié)所涉及的力，在此過程中，干細(xì)胞聚集在一起并最終分化為組織特異性細(xì)胞類型。該過程對(duì)牙齒，骨骼，軟骨和其他組織的形成至關(guān)重要。

在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究小組在細(xì)胞培養(yǎng)物中加入了力感應(yīng)球，這些球聚集在一起形成多細(xì)胞球。每隔14小時(shí)每小時(shí)拍攝一次文化的顯微鏡圖像，這使團(tuán)隊(duì)能夠跟蹤隨著時(shí)間的推移每種文化所涉及的力量的變化。實(shí)驗(yàn)表明，在過程的最初5個(gè)小時(shí)左右，間充質(zhì)凝結(jié)所涉及的力是高度可變的，然后才逐漸穩(wěn)定下來。研究人員說，這是首次測量這種力的動(dòng)力學(xué)。

為了幫助驗(yàn)證這些球體對(duì)細(xì)胞力真正敏感，研究小組使用細(xì)胞骨架抑制劑（一種削弱細(xì)胞內(nèi)微小收縮運(yùn)動(dòng)的藥物）處理的培養(yǎng)物重復(fù)了該實(shí)驗(yàn)。如預(yù)期的那樣，在用藥物處理的培養(yǎng)物中，球體檢測到的力明顯弱。

在另一組實(shí)驗(yàn)中，研究人員將傳感器球體添加到預(yù)先形成的細(xì)胞團(tuán)中，以觀察這些球體如何被吸收到團(tuán)塊中。一些球體已經(jīng)用膠原蛋白涂層處理過，可以使細(xì)胞與傳感器結(jié)合，而另一些則沒有涂層。

達(dá)林說：“我們能夠看到涂層球和未涂層球之間的力分布差異�！� “總體上有很大的壓縮力，但是有了被覆的細(xì)胞，我們可以看到細(xì)胞直接與球相互作用，拉動(dòng)它們并施加拉力。”

達(dá)令說，他希望這項(xiàng)技術(shù)能夠揭示有關(guān)組織形成過程如何工作的基本細(xì)節(jié)。將來，它還可用于篩選旨在調(diào)節(jié)這些過程或測試環(huán)境毒素作用的藥物。它在組織工程中也可能有用。

達(dá)林說：“如果我們要生長軟骨，了解這些細(xì)胞相互作用的作用力類型可能會(huì)有所幫助，因?yàn)槲覀兛赡苣軌蚴┘优c該作用力曲線相匹配或互補(bǔ)的外力。” “因此，除了基本的發(fā)現(xiàn)之外，我認(rèn)為在此方面還有一定的翻譯潛力。”