科学家们开发了一种微型机械探针，可以测量细胞和组织的固有刚度以及细胞产生并相互施加的内力。研究人员报告说，他们的新型“磁性微型机器人”是第一个能够量化这两种特性的此类探针，并将有助于理解与发育和疾病相关的细胞过程。
他们在《科学机器人》杂志上详细介绍了他们的发现。
“活细胞通过蛋白质相互作用产生力，并且很难测量这些力，”领导这项研究的伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学与工程教授NingWang说。“大多数探针可以测量组织和细胞本身主动产生的力，我们称之为牵引力，或者它们可以测量它们的刚度——但不能同时测量两者。”
为了测量细胞刚度，研究人员需要一个相对坚硬的探针，它可以压缩、拉伸或扭曲组织并量化它们抵抗力的强弱程度。但要测量细胞自身内部产生的收缩或扩张，探针必须相对柔软。
与其他科学家一样，Wang和他的同事们已经开发出探针来分别测量这些品质中的每一个。但他说他想开发一种更通用的探针，可以同时解决这两个问题。例如，这样的探测将有助于更好地了解这些特性如何影响动脉硬化或癌症等疾病，或胚胎如何发育。
为了应对这一挑战，Wang和研究生ErfanMohagheghian寻找在将探针注入目标组织后改变其机械特性的方法。他们使用了由聚乙二醇制成的水凝胶，这种材料已被批准用于人体。
对于这项新研究，该团队开发了一种将磁性“微交叉”嵌入刚性PEG水凝胶的精确方法。该研究的合著者、科罗拉多大学博尔德分校化学与生物工程教授KristiAnseth已经开发出一种使用紫外线降解和软化水凝胶的方法。
在一系列实验中，研究人员将他们的探针注射到3D实验室生长的肿瘤块和斑马鱼胚胎中。通过将这些组织置于电磁场中，科学家们激活了探针以对组织施加各种压力并测量组织硬度。将肿瘤块或胚胎暴露在紫外线下，然后软化探针的PEG基质，使探针能够测量组织内细胞产生的力。
探针提供了关于组织刚度和牵引力的精确信息，首次揭示了虽然恶性肿瘤可能对周围组织做出反应而变得更硬，但癌细胞不会改变它们的牵引力，无论它们靠近软材料还是硬材料。王说，这挑战了一种普遍看法，即底层组织的物理特性会驱动癌细胞内力的变化，从而使它们发生转移。
“人们认为基质的硬度是癌症进展的驱动力，”Wang说。“我们的研究结果不支持这种说法。”
Wang说，这些探针还捕获了胚胎发育过程中细胞的推拉，这可以提供新的视角来了解随着动物从单细胞发育成复杂组织，这种振荡如何与器官、组织和四肢的模式相对应。胚胎工作由中国科学院和中国武汉华中科技大学的研究人员进行。
“我们相信在胚胎中检测到的大力振荡对于推动发育的早期阶段非常重要，”Wang说。