成像技术揭示了微小细胞团施加的3D力

罗德岛州普罗旺斯市[布朗大学]-一组研究人员开发了一种新技术，可以绘制人体细胞簇在周围环境上施加的三维力。该方法可能有助于科学家更好地了解组织的形成方式，伤口的愈合方式或肿瘤的扩散方式。

伊恩说：“我们知道细胞群与其细胞外基质相互作用的方式很重要，我们想了解有关指示这些簇变成组织状的组织结构，或者像侵袭性肿瘤一样变得杂乱无章的说明。” W. Y. Wong，布朗大学工程学院的助理教授，是描述《美国国家科学院院刊》上的工作的论文的通讯作者。“这项技术为我们提供了一种以前所未有的方式描述细胞与基质之间机械相互作用的方法。”

这项新技术利用了牵引力显微镜(TFM)，这是一种成像方法，已广泛用于研究单细胞施加的力。为了进行TFM测量，研究人员将细胞放置在模仿细胞外基质并包含数千个微小荧光珠的生物材料中。通过跟踪细胞在凝胶内移动时珠子的运动，研究人员可以记录细胞在三个维度上推动，拉动和扭曲生物材料的方式。

这项新技术的目标是将TFM应用于多细胞簇。

共同第一作者苏珊·莱格特(Susan Leggett)表示，“例如，我们知道肿瘤往往在空间上是异质的，整个肿瘤的细胞行为都不同。”布朗的学生，目前是普林斯顿大学的博士后研究员。“因此，阐明跨多细胞簇的异质行为在临床环境中很重要。”

但是，这样做并不容易。每组行为不同的单元组很快会使分析变得混乱和不精确。处理大型三维数据集时面临的挑战之一是如何以方便，快速且易于阅读的格式对其进行描述。因此，莱格特和她的同事提出了他们称为DART(渲染牵引力的位移阵列)的方法，该方法实际上将每个群集周围的体积分为16个不同的区域。通过将控制每个区域的力映射到“ DART-board”显示中，该技术可以以易于理解的格式捕获群集中不同的作用力。研究人员说，这种方法类似于在普通地形图或远足地图中绘制三维地形特征的方式。

共同第一作者Mohak Patel，也是一名博士学位。布朗是固体力学和计算机科学领域的学生，他帮助团队简化了跟踪嵌入生物材料中的荧光珠所需的图像处理。这种精简使该技术可以一次成像许多排列在96孔细胞培养板上的簇。研究人员说，以前无法实现的高吞吐率使该技术更加强大。

为了验证他们的方法，研究人员培养了成群的乳腺细胞。在某些集群上，研究人员使用一种药物来刺激所谓的上皮向间质转化(EMT)。这是一个过程，紧凑而温顺的上皮细胞转化为细长且高度移动的间充质细胞。在这项研究中，研究人员能够为上皮簇，间充质簇和介于两者之间的短暂状态的簇建立独特的力特征。从那里，团队能够训练一种机器学习算法，该算法可以准确地识别每个组中的集群。

研究小组说，这项技术可能有多种应用，从基础生物学研究到临床癌症研究或精密医学。“基本上在任何需要细胞在细胞外基质中移动的环境中，我们都可以使用这种技术来寻找模式，”共同作者，威斯康星大学麦迪逊分校机械工程副教授克里斯蒂安·弗兰克说。

该技术可用于研究类器官，即其结构和功能模仿人体组织和器官的小细胞簇。此方法基于在培养皿上培养人类原代细胞以筛选个性化药物治疗。Wong说：“您可以想象从肿瘤活检中分离出患者细胞，将它们培养在96孔板上，然后用不同的药物进行处理，看看它们是否影响这些细胞的迁移和分裂方式。”

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