细胞是如何影响他们的环境随着组织的成长?

胚胎是如何发展的?孩子如何成长,伤口愈合或癌症蔓延?所有这一切与人体组织的生长。的一个主要研究方向的ETH中提琴Vogel教授和她的高级助理马里奥·c·Benn详细了解这种增长。在他们的追求,他们从陈腐的研究路径。很长一段时间,生物学是研究细胞的生化代谢过程,常常不管他们的自然环境。相比之下,沃格尔和Benn正聚焦于细胞外基质(ECM),围绕身体细胞的纤维结构。这个矩阵是细胞自身产生的,是所有组织的重要组成部分。

有许多不同的身体细胞和纤维之间的相互作用矩阵。近年来,越来越多地研究表明,并不是所有的这些交互是只生化。事实上,有些机械或物理。例如,细胞能够感知机械刺激的细胞外基质。

连同他们的研究团队,沃格尔和Benn现在已经能够复制体外组织生长和研究这一过程的细节。“我们的结果强调的重要性细胞和细胞外基质之间的相互作用,”Benn说。随着时间的推移,他希望医疗利用这些研究结果——为了防止愈合障碍,例如,或在癌症的治疗和结缔组织疾病。

细胞转化

他们的研究主要集中在两个细胞类型:成纤维细胞和myofibroblasts。他们每个人对人体组织功能很重要,而且每一个可以改变到另一个。成纤维细胞的结缔组织中找到我们的器官,他们确保细胞外基质是不断更新和保持健康。如果发生损伤或组织生长是必需的,成纤维细胞转变成myofibroblasts,扮演一个关键的角色在伤口愈合和新组织的生长。Myofibroblasts不仅产生大量的ECM但也足够强大,例如,齐心协力组织伤口。

“伤口愈合的时候,myofibroblasts是我们的朋友,“Benn说。一旦工作完成,然而,重要的是,这些myofibroblasts改变回不太活跃的成纤维细胞。如果没有,这可能导致纤维化——过度的疤痕组织的形成。Myofibroblasts也在癌组织中找到。对许多癌症,高水平的这些细胞是与不良预后相关。

三维矩阵

有些事情知道时发生的生化过程myofibroblasts变回成纤维细胞。但还没有做过任何研究解释ECM如何影响这种细胞转变。“与传统的细胞培养方法,在培养皿中细胞生长平坦。这导致极平面ECM的形成,”沃格尔说。“无论如何,研究到目前为止通常忽略了ECM。但研究细胞无细胞外基质研究的行为有点像蜘蛛没有他们的网络。“沃格尔和Benn所使用的方法是完全不同的。它最初马克斯普朗克研究所开发的胶体和界面在波茨坦和乙已经精炼的科学家。

他们使用硅胶支架,涂有特定的蛋白质,微观三角形形状的结晶和坐在一个组织培养基。两周的时间内,新的组织形式在这些石穴,更自然的ECM在一起。增长从顶点开始,逐步填充间隙随着组织的发展。

研究人员观察myofibroblasts总是位于正是在增长——即前面。在该地区,新成立的组织。他们也能够展示myofibroblasts在这个领域形成新的ECM -最初在临时之前,然后在一个更稳定的形式转换回成纤维细胞。“过程类似于那些发生在人体皮下组织在伤口愈合的后期阶段,“Benn说。

研究人员也能够表明,快速变化的ECM的触发器myofibroblasts降级的成纤维细胞。此外,这种回归是提拔当某种类型的ECM -纤连蛋白纤维从拉伸放松的状态变化。看起来相似的互动过程发生在伤口愈合。

研究人员然后故意干扰细胞过渡使用各种代理,改变细胞外基质的组成或结构。通过这种方式,他们能够复制发生纤维化等疾病或癌症——而不是恢复成纤维细胞在健康组织,myofibroblasts稳定的细胞外基质。

未来mechano-medicine

研究人员希望这种微型组织文化将进一步帮助他们破解的细节人类细胞和细胞外基质之间的相互作用。这不仅可以避免动物测试,否则在生物医学研究往往是必要的;这也是一个方法,在未来可以用来测试候选物质在药物开发。“这些应用程序和研究问题是唾手可得,“Benn解释道。“如果我们能够了解myofibroblasts和成纤维细胞变化到另一个,和控制这一过程,那么我们也可以取得重大进展与愈合障碍等条件,纤维化和癌症。”

Benn,傅高义也指未来领域称为mechano-medicine。这个术语描述了医学应用力学生物学领域的研究:研究细胞如何感觉和过程机械信号。换句话说,mechano-medicine旨在获得的见解力学生物学应用于医疗实践。

随着时间的推移,研究人员希望利用mechano-medicine发展的新的诊断方法的早期检测纤维组织。“在很多情况下,包括肺纤维化,成功的治疗取决于早期检测,“Benn说。目前的筛选方法无法检测肺组织中的myofibroblasts与任何伟大的准确性。Benn现在希望对细胞外基质的进一步研究将揭示生物标记,使纤维化的早期和容易检测和类似的结缔组织疾病。

参考:Benn MC、锅SA Moeller J, et al .力学生物学如何协调迭代和互惠ECM-cell相声驱动microtissue增长。Sci副词。2023;9 (13):eadd9275。doi:10.1126 / sciadv.add9275

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