Cell子刊解读！科学家如何通过挤压方式快速制造类器官？ 或有望进行多种人类疾病的研究和候选药物的测试

2020年10月22日 讯 /生物谷BIOON/ --人与人之间的距离越近，其交流想法、信息，甚至发生感染的机会就越高，近日，一篇发表在国际杂志Cell Stem Cell上题为“Volumetric Compression Induces Intracellular Crowding to Control Intestinal Organoid Growth via Wnt/β-Catenin Signaling”的研究报告中，来自麻省理工学院等机构的科学家们通过研究发现，即使是在单个细胞的微观环境中，物理挤压也会增加其细胞间相互作用的机会，这在某种程度上或许会显著改变细胞的健康和发育。

这项研究中，研究者发现，通过物理方式挤压细胞并拥挤细胞的内容物或许有望触发细胞，使其比在正常情况下更快地生长和分裂；虽然通过挤压方式使其生长听起来有悖常理，但研究者解释道，挤压的作用是将细胞的水挤压出来，随着游离水分的减少，蛋白质和其它细胞组分会被挤地更近一些，当某些特定的蛋白质距离非常相近时就会诱发细胞信号并激活细胞内的基因。

在这项最新研究中，研究者发现，挤压肠道细胞会触发蛋白质沿着特殊的信号通路进行聚集，这或许就能帮助细胞维持干细胞样的状态，即一种未分化的状态，在这种状态下其能够迅速生长并分裂成为特殊的细胞，研究者Ming Guo说道，如果通过简单地挤压能促进细胞“干性”产生的话，那么其就有望被引导快速建立微型器官，比如人工肠道或结肠组织等，同时还能帮助理解器官的功能并检测针对多种疾病的候选药物的疗效。

图片来源：Yiwei Li

为了研究挤压作用对细胞的影响，研究人员将多种类型的细胞混合在溶液中，使其凝固成为橡胶状的水凝胶板，为了挤压细胞，研究者在水凝胶表面放置了砝码；研究人员希望能够实现细胞尺寸的显著变化，而这两个砝码可以将细胞的总体积压缩10%-30%左右；随后研究者在3-D模式下使用共聚焦显微镜来测定单个细胞的形状在每个样品被压缩时是如何发生变化的，正如他们所期望的那样，细胞会随着压力的增加而缩小，但挤压是否会影响细胞中的内容物呢？为了回答这个问题，研究者首先观察了细胞中的含水量是否会发生变化，如果挤压能将细胞中的水分挤出来的话，那么细胞中的水分就会减少而且会变得更硬。

在砝码放置前后研究者使用光学镊子对细胞的硬度进行了测定，他们发现，细胞确实会随着压力的增加而逐渐变硬，而且被挤压的细胞运动量会减少，说明细胞中的内容物比平时更加拥挤了。随后研究者通过研究观察了细胞中特定蛋白之间相互作用是否会发生改变，他们重点对能诱发Wnt/β-连环蛋白信号的多种蛋白进行了研究，该信号通路主要参与了细胞生长和细胞“干性”的维持。研究者Guo说道，一般而言，这种途径被认为会促进细胞更像干细胞一样，如果改变了该通路的活性，癌症的进展和胚胎的发育方式或许就会被证明变得非常不同了，因此我们认为能利用该通路来阐明细胞之间拥挤的重要性。

为了观察细胞的挤压是否会影响Wnt信号通路，以及细胞的生长速度，研究人员培育了类器官（微型器官），在这种情况下，研究者就能从小鼠的肠道组织中收集特殊的细胞簇；Wnt信号通路对于结肠非常重要，位于人类肠道组织中的细胞能够持续不断更新补充，而Wnt信号对于维持肠道干细胞、产生新细胞并不断“刷新”肠道内壁至关重要。随后研究人员在培养皿中培育出了尺寸仅有半毫米大小的肠道类器官，随后向培养皿中注入聚合物来挤压类器官，这种聚合物的涌入会增加每个类器官周围的渗透压，并迫使水分从细胞中流出，研究者发现，参与激活Wnt信号通路的特殊蛋白会被挤在一起，并且更有可能聚集在一起来开启该通络的表达及其调节生长的基因的表达。

研究者表示，被挤压的类器官实际上会长得更大且会快速生长，其表面也会拥有比未被挤压的类器官更多的干细胞；这些差异非常明显，因此每次当研究者施加压力时，类器官就会生长地更大，且会拥有更多的干细胞；相关研究结果揭示了挤压方式如何影响类器官的生长，此外，研究者还发现，细胞的行为会根据其中所含的水分量而发生改变的。

后期研究人员还计划通过更为深入的研究来阐明是否能将细胞挤压作为一种特殊方式，从而加速人工类器官的生长，从而帮助科学家们来检测新型个体化药物。最后研究者Guo说道，这样一来我就可以用自身的细胞将其转化成为干细胞，从而这些细胞就能进一步发育成为模拟自身器官功能的肺脏或肠道类器官，随后我们就能应用不同的压力来旨在具有不同尺寸的类器官，并尝试进行多种药物的安全性测试。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

【1】Yiwei Li，Maorong Chen，Jiliang Hu， et al. Volumetric Compression Induces Intracellular Crowding to Control Intestinal Organoid Growth via Wnt/β-Catenin Signaling， Cell Stem Cell (2020). DOI：10.1016/j.stem.2020.09.012

【2】To make mini-organs grow faster， give them a squeeze

by Jennifer Chu， Massachusetts Institute of Technology