用于探测3D微组织流变性的光驱动生物执行器

组织工程具有开发体外器官模型系统的巨大潜力。随着2000年代后期开始的小型化趋势，三维（3D）微组织模型已被用于研究受损纤维组织的修复、心肌和肺组织的形成和成熟等组织生物学的基本特征。此外，由于具有较高的空间和时间分辨率，光遗传学已成为时空控制细胞信号转导的强大工具。

目前，通过对RhoA活性进行光遗传学控制，已有一些研究可以使用光脉冲来局部上调或下调细胞产生的力。Valon等人的进一步研究证明，细胞张力的变化与二维上皮单层中的组织变形有关，表明细胞具有作为机械执行器的潜力。这种生物执行器可用于使用光诱导的生理机械刺激来探测组织力学。

据麦姆斯咨询报道，近期，法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学（University Grenoble Alpes）的研究人员结合组织工程和光遗传学技术，设计了由封装在胶原蛋白中的光基因修饰的成纤维细胞组成的微组织，并通过利用光来控制调节细胞收缩性的主要因子——RhoA的活性，成功在微组织内诱导了局部收缩，并实现了对微组织应力和应变的监测。相关研究成果以“Light-driven biological actuators to probe the rheology of 3D microtissues”为题，发表于Nature Communications期刊。

图1 微组织的光控收缩

基于所提出的组织工程耦合光遗传学的方法，该研究实现了对微组织特定部分应力的时空控制和测量，并通过粒子图像测速仪（PIV）进一步实现了对组织应变的推断。此外，研究人员对微组织的流变性进行了探索，并证明了所提出的方法在量化悬臂刚度、细胞外基质（ECM）以及成纤维细胞向肌成纤维细胞的分化对组织弹性的影响方面的潜力。最后，该研究展示了所提出的方法在机械异质性微组织中测定局部各向异性，以及在组织形成过程中使用重复刺激影响组织结构的能力。

图2 光遗传学诱导收缩的各向异性与微组织结构相关

图3 光诱导的局部收缩证明了微组织的粘弹性

总之，组织工程和光遗传学的结合提供了独特的方法来定量证明物理和生物参数对3D组织中细胞引起的机械扰动的产生、传播和传感的影响。最重要的是，该方法为使用构成3D组织的细胞本身作为内部执行器实时和非破坏性地探测3D组织的流变性铺平了道路。总而言之，将细胞收缩性的光遗传学控制与专门设计的具有特定几何形状的微组织以及相应的计算模型结合，可以提供一种强大的方法来分析机械边界约束、细胞收缩性、细胞外基质密度、排列和机械特性之间复杂的相互作用。

然而，由于该方法通过利用组织中的一部分（受刺激的部分）的收缩来拉伸另一部分（未受刺激的部分）的方式来探测后者的机械特性，因此它本质上需要肌动球蛋白的活跃运转，这可能使对于细胞骨架成分在调节组织力学中的作用的研究复杂化。事实上，完全抑制微组织的收缩能力，例如使用高剂量的肌动球蛋白靶向药物，会阻碍该方法的使用。然而，只要收缩机制至少部分活跃，该方法就仍然有效，例如，只使用中小剂量的肌动球蛋白靶向药物。

此外，尽管CRY2富集到细胞膜的速度非常快（几秒钟），但它的解离速度较慢（几分钟），而RhoA通路的激活导致细胞先发生时长数十秒的收缩性激活，而后历经更为缓慢的时长几分钟的松弛。因此，细胞诱导性收缩和松弛需要将近20分钟，因此无法将其用于探测快速机械变化或量化微组织在不同频率下的时间依赖性机械响应。最后，该方法中的光遗传学靶标RhoA有许多下游效应器。虽然该研究使用单一的、短时间的刺激来诱导微组织的弹性反应，而不产生类似细胞骨架重塑等类型的持久影响，仍然不能排除可能存在通过例如RhoA的自我放大和自我抑制产生的脱靶效应。

审核编辑：刘清