随着组织的生长细胞如何受到环境的影响

胚胎是如何发育的?儿童如何成长，伤口如何愈合或癌症如何扩散?所有这些都与身体组织的生长有关。ETH教授ViolaVogel和她的高级助理MarioC.Benn的主要研究兴趣之一是详细了解这种增长。在他们的追求中，他们偏离了老路。

长期以来，生物学是关于研究细胞及其内部代谢过程的生物化学，通常与它们的自然环境无关。相比之下，Vogel和Benn专注于细胞外基质(ECM)，这是一种围绕身体细胞的纤维结构。该基质由细胞本身产生，是所有组织的主要组成部分。

身体细胞和这种纤维基质之间有许多不同的相互作用。近年来，越来越多的研究表明，并非所有这些相互作用都是完全生物化学的。事实上，有些是机械的或物理的。例如，细胞能够感知来自这种细胞外基质的机械刺激。

Vogel和Benn与他们的研究团队一起，现在已经能够在体外复制组织生长并详细研究这一过程。“我们的研究结果强调了细胞与细胞外基质之间相互作用的重要性，”Benn说。随着时间的推移，他希望将这些发现用于医学用途-例如预防伤口愈合障碍，或用于治疗癌症和结缔组织疾病。

细胞转化

他们的研究现在发表在《科学进展》上，专注于两种细胞类型：成纤维细胞和肌成纤维细胞。它们中的每一个对人体组织功能都很重要，并且每个都可以变成另一个。成纤维细胞存在于我们器官的结缔组织中，它们确保细胞外基质不断更新并保持健康。如果发生损伤或需要组织生长，成纤维细胞会转化为肌成纤维细胞，肌成纤维细胞在伤口愈合和新组织的生长中起关键作用。肌成纤维细胞不仅产生大量的ECM，而且足够强大，例如，将伤口中的组织拉在一起。

“在伤口愈合方面，肌成纤维细胞是我们的朋友，”Benn说。然而，一旦他们的工作完成，重要的是这些肌成纤维细胞变回不太活跃的成纤维细胞。否则，这可能导致纤维化——疤痕组织的过度形成。肌成纤维细胞也存在于癌症组织中。对于许多癌症，这些细胞的高水平与预后不良有关。

三维矩阵

关于肌成纤维细胞恢复为成纤维细胞时发生的生化过程，一些事情是已知的。然而，很少有研究来解释ECM如何影响这种细胞转化。“使用传统的细胞培养方法，细胞在培养皿中平坦生长。这导致不自然平面ECM的形成，“Vogel解释说。“无论如何，到目前为止的研究通常忽略了ECM。但是研究没有细胞外基质的细胞有点像研究没有网的蜘蛛的行为。

细胞逐渐用新组织填充裂隙，从左侧的顶点开始。生长前沿的肌成纤维细胞以橙色突出显示(显微镜图像)。学分：BennMC等人，《科学进展》，2023年<>月;图像增强

沃格尔和本恩使用的方法完全不同。它最初是在波茨坦的马克斯普朗克胶体和界面研究所开发的，现在已经由ETH科学家进行了改进。他们使用涂有特定蛋白质的硅胶支架，该支架具有微观三角形裂缝并位于组织培养基中。在两周内，这些裂缝中形成新的组织，以及更自然的ECM。生长从顶端开始，随着组织的生长逐渐充满裂隙。

研究人员观察到肌成纤维细胞如何始终精确地位于生长前沿，即在新形成的组织区域。他们还能够显示该区域的肌成纤维细胞如何形成新的ECM-最初是临时的，然后是更稳定的形式-然后转化为成纤维细胞。“这些过程类似于伤口愈合后期在人类皮下组织中发生的过程，”Benn说。

研究人员还能够证明，快速变化的ECM是肌成纤维细胞恢复为成纤维细胞的触发因素之一。此外，当某种类型的ECM纤维(纤连蛋白)从拉伸状态变为松弛状态时，会促进这种回归。在伤口愈合过程中似乎可能发生类似的相互作用过程。

然后，研究人员故意使用各种改变细胞外基质组成或结构的药物干扰细胞转变。通过这种方式，他们能够复制纤维化或癌症等病理发生的情况-也就是说，肌成纤维细胞不是像健康组织中那样恢复成纤维细胞，而是由细胞外基质稳定。

未来的机械医学

研究人员希望这种微型组织培养物将帮助他们破译人类细胞与其细胞外基质之间相互作用的进一步细节。这不仅可以避免动物试验，否则在生物医学研究中通常是必要的;这也是将来可用于在药物开发过程中测试候选物质的方法。“这些应用和研究问题是唾手可得的成果，”Benn解释说。“如果我们能够了解肌成纤维细胞和成纤维细胞如何相互变化，并控制这一过程，那么我们也可以在伤口愈合障碍，纤维化和癌症等疾病方面取得重大进展。

Benn和Vogel还提到了一个称为机械医学的未来领域。该术语描述了机械生物学领域发现的医学应用：研究细胞如何感知和处理机械信号。换句话说，机械医学旨在将从机械生物学中获得的见解应用于医疗实践。

随着时间的推移，研究人员希望使用机械医学来开发新的诊断方法，以早期检测纤维化组织。“对于许多疾病，包括肺纤维化，成功的治疗取决于早期发现，”Benn说。

目前的筛查方法无法非常准确地检测肺组织中的肌成纤维细胞。Benn现在希望对细胞外基质的进一步研究将揭示生物标志物，从而能够更早，更轻松地检测纤维化和类似的结缔组织疾病。