新装置有助于研究单个细胞对机械应力的反应

　　细胞的行为受环境的控制。除了生物因素或化学物质外，还涉及物理力，如压力或张力。卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)和海德堡大学的研究人员开发了一种方法，使他们能够分析外力对单个细胞的影响。他们利用3D打印技术制造了微型支架，每个支架上都有四个支柱，每个支柱上都有一个细胞。

　　在外部信号的触发下，支架内的水凝胶膨胀并将柱子推开，这样细胞就必须“拉伸”。该作品是“3D物质定制”(3DMM2O)卓越集群的一部分。研究人员在《科学进展》杂志上发表了他们的研究结果(DOI: 10.1126/sciad .abc2648)。

　　许多细胞生物学过程，如伤口愈合或组织发育，都受到其环境特性的强烈影响。例如，细胞对生物因素或化学物质起反应。然而，研究越来越多地集中在作用于细胞的物理力上:细胞究竟是如何适应这些力的?

　　在德国-日本大学联盟HeKKSaGOn的框架内，并与澳大利亚科学家合作，3DMM2O团队采用了一种特别巧妙的方法来解决这个问题。为了生产他们的细胞“拉伸架”，他们使用了“直接激光书写”，这是一种特殊的3D打印工艺，在这种工艺中，计算机控制的激光束被聚焦到一种特殊的打印机墨水液体中。它的分子只在暴露的区域反应，在那里形成固体物质。所有其他区域仍然是液体，可以被冲走。

　　在目前的情况下，研究人员使用了三种不同的打印机墨水:第一种墨水是由蛋白质排斥材料制成的，用于形成实际的微型支架。然后，他们使用第二种吸引蛋白质的材料墨水，制作了四个水平条，每个连接到一个支架柱上。细胞被固定在这四根铁条上。然而，真正引人注目的是第三种墨水:科学家们用它在脚手架内“打印”了一个物体。如果他们再加入一种特殊的液体，水凝胶就会膨胀。因此，它产生了足够的力来移动柱子和栏杆。这反过来又有拉伸固定在铁条上的细胞的作用。

　　卓越集群的科学家们将两种完全不同的细胞类型放在他们的微拉伸架上:人骨肿瘤细胞和小鼠胚胎细胞。他们发现，细胞用运动蛋白抵消了外力，从而大大增加了它们的张力。当外部拉伸力被移除时，细胞松弛并恢复到原始状态。“这种行为令人印象深刻地证明了它们适应动态环境的能力。如果细胞不能恢复，它们就不能再发挥原来的功能，比如伤口愈合，”KIT动物研究所的Martin Bastmeyer教授说。

　　研究小组进一步发现，一种名为NM2A(非肌肉肌球蛋白2A)的蛋白质在细胞对机械刺激的反应中起着决定性作用:不能产生NM2A的基因修饰骨肿瘤细胞几乎无法抵消外部变形。

　　海德堡大学生物物理化学领域的科学家以及来自KIT的物理学、细胞生物学和神经生物学领域的科学家进行了卓越集群的工作。德国-日本大学联盟HeKKSaGOn的成员包括海德堡大学、卡尔斯鲁厄工业学院和大阪大学。

　　在3D物质订制(3DMM2O)卓越集群中，卡尔斯鲁厄理工学院和海德堡大学的科学家对数字可扩展增材制造的创新技术和材料进行跨学科研究，以提高3D打印的精度、速度和性能。工作旨在实现从分子到微观结构的完全数字化3D制造和材料加工。除了由联邦和联邦州发起的卓越战略竞赛下的卓越集群资金外，3dmm30还由卡尔蔡司基金会资助。