上皮組織是連續(xù)的細(xì)胞薄片，它們是內(nèi)部器官的形狀穩(wěn)定的支撐，并通過覆蓋它們的表面來支持它們的結(jié)構(gòu)。它們?cè)谂咛グl(fā)育過程中獲得了與其特定功能相適應(yīng)的各種形態(tài)，如腎小管和肺中發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜分支結(jié)構(gòu)。上皮形態(tài)發(fā)生和動(dòng)態(tài)平衡的維持是由其顯著的力學(xué)機(jī)制控制的，即通過積極重塑細(xì)胞-細(xì)胞連接和調(diào)節(jié)局部應(yīng)力分布，上皮可以變得有彈性、可塑性和粘性。

來自洛桑理工學(xué)院費(fèi)德拉爾分校的學(xué)者利用顯微制造、FNITE元素模擬、光片顯微鏡和機(jī)器人顯微操作被用來顯示覆蓋在上皮皮膚上的膠原凝膠是形狀可編程的軟物質(zhì)。該過程涉及由機(jī)械擾動(dòng)引起的固體到流體的轉(zhuǎn)變，在組織界面產(chǎn)生空間分布的表面應(yīng)力，并且服從加法和減法制造技術(shù)。通過指導(dǎo)基材的各種模塑、雕刻和組裝形式的形態(tài)形成，本文展示了這種用于工程設(shè)計(jì)者的策略的健壯性和多功能性。這一結(jié)果為深入了解上皮細(xì)胞的活性力學(xué)特性提供了依據(jù)，并為構(gòu)建可持續(xù)建筑的工程組織提供了方法。相關(guān)文章以“Tissue Engineering with Mechanically Induced Solid-Fluid Transitions”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Materials。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202106149

圖1.具有長(zhǎng)期形狀穩(wěn)定性的顯微組織的形成。a)組織工程過程示意圖。上皮細(xì)胞致密聚合的膠原凝膠(藍(lán)色)，同時(shí)在24小時(shí)內(nèi)組織成一個(gè)連續(xù)的外殼。b)3×0.4×0.4mm3孔內(nèi)形成的組織的代表性圖片。c)微組織的構(gòu)筑。

圖2.顯微組織的成型。a)具有代表性的相位對(duì)比圖像，顯示形成在井內(nèi)的組織的形態(tài)演變，其形狀為方形棱鏡(2 mm×2 mm×0.4 mm)。b)顯示細(xì)胞內(nèi)f-actin的共聚焦顯微照片。插圖顯示放大后局部區(qū)域的f-actin(綠色)和細(xì)胞核(藍(lán)色)。c)XY平面上的組織輪廓線(n=12)。

圖3.組織的減材和增材制造。a)使用燒灼裝置將方形棱鏡形狀的組織切成兩半。(左)切割和軸的示意圖。(右)顯微照片顯示暴露的表面重新上皮化。再上皮化過程的特寫視圖顯示在下面的面板上。b)通過使用顯微剪刀或燒灼設(shè)備切割出碎片來成形組織。OP標(biāo)記的是手術(shù)后立即拍攝的圖像。c) 通過手術(shù)取出多塊具有代表性的組織。

圖4.可編程細(xì)胞死亡過程中的組織折疊。a)利用Blebbistatin的光毒活性進(jìn)行時(shí)空控制的細(xì)胞消融示意圖。b)光片顯微鏡圖像顯示照射后向暴露區(qū)域遷移的細(xì)胞核。在不同條件下受控細(xì)胞死亡后形狀變化。c)形成后1天，d)膠原聚合后30min，以及e)形成后1天，用轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1處理的細(xì)胞形態(tài)。

本文提供了幾個(gè)重要的觀察結(jié)果，即在本文的模型系統(tǒng)中，處方長(zhǎng)期持續(xù)的組織形態(tài)依賴于連續(xù)上皮片的形成。本文假設(shè)細(xì)胞在形成單層時(shí)會(huì)經(jīng)歷堵塞轉(zhuǎn)變，這與細(xì)胞間通過E-鈣粘附素結(jié)合復(fù)合體形成強(qiáng)烈的細(xì)胞間黏附的發(fā)展相一致。以往的研究表明，細(xì)胞間黏附在組織形態(tài)穩(wěn)定中起著重要作用。此外，這種卡住的轉(zhuǎn)變將表面應(yīng)力提高到可能使大塊組織變形的程度，本文利用了這一潛力進(jìn)行組織工程。細(xì)胞-細(xì)胞和細(xì)胞-ECM黏附的局部動(dòng)力學(xué)還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。探測(cè)細(xì)胞間的張力和表面應(yīng)力將有助于驗(yàn)證該理論。從工程學(xué)的角度來看，通過使用基因工程細(xì)胞控制細(xì)胞凝聚力的時(shí)空動(dòng)態(tài)，可以極大地提高成形的分辨率。（文：SSC）