微小的荧光球（小红点和小插图）可用于在生物组织形成和生长时在细胞水平上测量力。球体在周围细胞向其施加力时发生变形，该变形用于计算力。

布朗大学研究人员开发的一项新技术揭示了生物组织形成和生长过程中涉及细胞水平的力。该技术可能有助于更好地了解这些过程的工作方式，并研究它们如何对环境毒素或药物疗法产生反应。

如《生物材料》杂志所述，该技术利用了由高度顺应性聚合物材料制成的细胞大小的球体，可以将其放置在组织形成细胞的实验室培养物中。随着组织形成过程的展开，用荧光染料染色的球体的显微镜成像揭示了它们在周围细胞压力的作用下变形的程度。然后，一种计算算法使用该变形来计算在该细胞微环境中起作用的力。

布朗医学科学，工程与骨科副教授埃里克·达林（Eric Darling）表示：“我们知道机械力是组织形成和发展的重要刺激，但实际上测量这些力非常困难。“我们开发的这些球体为我们提供了一种非常灵敏的技术，可以测量同一样本中随时间变化的力。而且我们可以在96孔板上同时处理多个样本，因此这是一种高通量方法也一样。”

这项研究是达令实验室与Haneesh Kesari实验室之间的合作，后者是Brown的工程学助理教授和固体力学专家。达令（Darling）和研究生罗伯特·古铁雷斯（Robert Gutierrez）开发了球体并进行了细胞培养实验，而凯萨里（Kesari）和研究生方文强（Wenqiang Fang）开发了计算力的计算算法。

这些球是由一种叫做聚丙烯酰胺的聚合物制成的。达林说，球体对新形成的组织的行为没有明显影响，聚丙烯酰胺材料具有高度一致和可调节的机械性能，这使得使球体足够柔软以至于在受到细胞力的作用下可测量地变形是可能的。

Kesari说：“关键是要使用高度受控的材料，具有非常精确的形状以及经过微调和均匀的机械刚度。” “如果我们知道球体的性质，那么我们就可以拍摄它们的形状如何变化的照片，并消除做出这些改变所必需的力。”

作为概念的证明，研究人员进行了一系列实验来测量间充质凝结所涉及的力，在此过程中，干细胞聚集在一起并最终分化为组织特异性细胞类型。该过程对牙齿，骨骼，软骨和其他组织的形成至关重要。

在一项实验中，研究小组在细胞培养物中加入了力感应球，这些球聚集在一起形成多细胞球。每隔14小时每小时拍摄一次文化的显微镜图像，这使团队能够跟踪随着时间的推移每种文化所涉及的力量的变化。实验表明，在过程的最初5个小时左右，间充质凝结所涉及的力是高度可变的，然后才逐渐稳定下来。研究人员说，这是首次测量这种力的动力学。

为了帮助验证这些球体对细胞力真正敏感，研究小组使用细胞骨架抑制剂（一种削弱细胞内微小收缩运动的药物）处理的培养物重复了该实验。如预期的那样，在用药物处理的培养物中，球体检测到的力明显弱。

在另一组实验中，研究人员将传感器球体添加到预先形成的细胞团中，以观察这些球体如何被吸收到团块中。一些球体已经用胶原蛋白涂层处理过，可以使细胞与传感器结合，而另一些则没有涂层。

达林说：“我们能够看到涂层球和未涂层球之间的力分布差异。” “总体上有很大的压缩力，但是有了被覆的细胞，我们可以看到细胞直接与球相互作用，拉动它们并施加拉力。”

达令说，他希望这项技术能够揭示有关组织形成过程如何工作的基本细节。将来，它还可用于筛选旨在调节这些过程或测试环境毒素作用的药物。它在组织工程中也可能有用。

达林说：“如果我们要生长软骨，了解这些细胞相互作用的作用力类型可能会有所帮助，因为我们可能能够施加与该作用力曲线相匹配或互补的外力。” “因此，除了基本的发现之外，我认为在此方面还有一定的翻译潜力。”