上皮組織是連續(xù)的細(xì)胞薄片，它們是內(nèi)部器官的形狀穩(wěn)定的支撐，并通過(guò)覆蓋它們的表面來(lái)支持它們的結(jié)構(gòu)。它們?cè)谂咛グl(fā)育過(guò)程中獲得了與其特定功能相適應(yīng)的各種形態(tài)，如腎小管和肺中發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜分支結(jié)構(gòu)。上皮形態(tài)發(fā)生和動(dòng)態(tài)平衡的維持是由其顯著的力學(xué)機(jī)制控制的，即通過(guò)積極重塑細(xì)胞-細(xì)胞連接和調(diào)節(jié)局部應(yīng)力分布，上皮可以變得有彈性、可塑性和粘性。

來(lái)自洛桑理工學(xué)院費(fèi)德拉爾分校的學(xué)者利用顯微制造、FNITE元素模擬、光片顯微鏡和機(jī)器人顯微操作被用來(lái)顯示覆蓋在上皮皮膚上的膠原凝膠是形狀可編程的軟物質(zhì)。該過(guò)程涉及由機(jī)械擾動(dòng)引起的固體到流體的轉(zhuǎn)變，在組織界面產(chǎn)生空間分布的表面應(yīng)力，并且服從加法和減法制造技術(shù)。通過(guò)指導(dǎo)基材的各種模塑、雕刻和組裝形式的形態(tài)形成，本文展示了這種用于工程設(shè)計(jì)者的策略的健壯性和多功能性。這一結(jié)果為深入了解上皮細(xì)胞的活性力學(xué)特性提供了依據(jù)，并為構(gòu)建可持續(xù)建筑的工程組織提供了方法。相關(guān)文章以“Tissue Engineering with Mechanically Induced Solid-Fluid Transitions”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Materials。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202106149

圖1.具有長(zhǎng)期形狀穩(wěn)定性的顯微組織的形成。a)組織工程過(guò)程示意圖。上皮細(xì)胞致密聚合的膠原凝膠(藍(lán)色)，同時(shí)在24小時(shí)內(nèi)組織成一個(gè)連續(xù)的外殼。b)3×0.4×0.4mm3孔內(nèi)形成的組織的代表性圖片。c)微組織的構(gòu)筑。

圖2.顯微組織的成型。a)具有代表性的相位對(duì)比圖像，顯示形成在井內(nèi)的組織的形態(tài)演變，其形狀為方形棱鏡(2 mm×2 mm×0.4 mm)。b)顯示細(xì)胞內(nèi)f-actin的共聚焦顯微照片。插圖顯示放大后局部區(qū)域的f-actin(綠色)和細(xì)胞核(藍(lán)色)。c)XY平面上的組織輪廓線(n=12)。

圖3.組織的減材和增材制造。a)使用燒灼裝置將方形棱鏡形狀的組織切成兩半。(左)切割和軸的示意圖。(右)顯微照片顯示暴露的表面重新上皮化。再上皮化過(guò)程的特寫(xiě)視圖顯示在下面的面板上。b)通過(guò)使用顯微剪刀或燒灼設(shè)備切割出碎片來(lái)成形組織。OP標(biāo)記的是手術(shù)后立即拍攝的圖像。c) 通過(guò)手術(shù)取出多塊具有代表性的組織。

圖4.可編程細(xì)胞死亡過(guò)程中的組織折疊。a)利用Blebbistatin的光毒活性進(jìn)行時(shí)空控制的細(xì)胞消融示意圖。b)光片顯微鏡圖像顯示照射后向暴露區(qū)域遷移的細(xì)胞核。在不同條件下受控細(xì)胞死亡后形狀變化。c)形成后1天，d)膠原聚合后30min，以及e)形成后1天，用轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1處理的細(xì)胞形態(tài)。

本文提供了幾個(gè)重要的觀察結(jié)果，即在本文的模型系統(tǒng)中，處方長(zhǎng)期持續(xù)的組織形態(tài)依賴(lài)于連續(xù)上皮片的形成。本文假設(shè)細(xì)胞在形成單層時(shí)會(huì)經(jīng)歷堵塞轉(zhuǎn)變，這與細(xì)胞間通過(guò)E-鈣粘附素結(jié)合復(fù)合體形成強(qiáng)烈的細(xì)胞間黏附的發(fā)展相一致。以往的研究表明，細(xì)胞間黏附在組織形態(tài)穩(wěn)定中起著重要作用。此外，這種卡住的轉(zhuǎn)變將表面應(yīng)力提高到可能使大塊組織變形的程度，本文利用了這一潛力進(jìn)行組織工程。細(xì)胞-細(xì)胞和細(xì)胞-ECM黏附的局部動(dòng)力學(xué)還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。探測(cè)細(xì)胞間的張力和表面應(yīng)力將有助于驗(yàn)證該理論。從工程學(xué)的角度來(lái)看，通過(guò)使用基因工程細(xì)胞控制細(xì)胞凝聚力的時(shí)空動(dòng)態(tài)，可以極大地提高成形的分辨率。（文：SSC）