邓林红团队在国际著名期刊PNAS上发表细胞微组织生物力学突破性研究成果

9月2日，国际著名期刊《美国国家科学院院刊（PNAS）》在线发表了我校生物医学工程与健康科学研究院院长、长江学者邓林红教授团队的研究成果，论文题目“Sensitive detection of cell-derived force and collagen matrix tension in microtissues undergoing large-scale densification（微组织大幅度致密化中细胞衍生力和胶原基质张力的灵敏检测）”，这是该团队对体外培养的细胞微组织大幅度收缩及其细胞与基质力学行为的研究取得的重大突破，也是我校首次作为唯一作者单位在PNAS上发表研究论文。

在线发表截图

  机械力在生物组织形态发生和重塑中发挥独特的作用，近年来成为国际研究热点。然而，对于胚胎发育等重要生理病理过程中超软组织大幅度收缩（致密化）的生物力学行为及其调控机制的研究则一直进展非常缓慢，这主要是因为目前的力检测装置在测量过程中对细胞产生不可忽略的反馈力干扰。针对这一技术难题，该研究团队设计并制备了一种基于弹性聚合物的微弦力学传感器（如下图左上所示），该微弦结构具有低弹性系数和大可变挠度的优点。在其上构建三维细胞微组织后可实时跟踪观察微组织的致密化水平以及嵌入其中的微弦的相应变形，进而根据两微弦间距的变化非常灵敏地测量到微组织收缩过程中所产生的力（如下图右上所示）。

细胞微组织大幅致密化过程中测量收缩力的技术原理和主要实验结果

  利用这一独创的测量技术，该团队经实验发现在不同力学边界条件下微组织致密化过程中维持应变所需收缩力的差异可以达到17倍以上。同时，微组织的致密化水平与其力学边界条件呈负相关关系（如上图左下所示）。随后的研究证实微组织的收缩力由细胞衍生力和胶原张力构成。在超软微组织（<500Pa）中，细胞衍生力所占比例随致密化水平的提高逐渐减小，而胶原张力所占比例则逐渐增大（如上图右下所示）。这些研究结果不仅证实了细胞微组织在不同力学边界条件下的力学响应差异非常巨大，更首次揭示了超软组织致密化过程中细胞衍生力与基质张力之间的动态变化关系，这将有助于进一步理解组织发育和维持中超细胞体系的力学调控机制，也有助于优化组织工程中可注射水凝胶-细胞复合体等植入体在体内的力学相容性。

  PNAS是世界最负盛名的基础科学领域的学术杂志之一，与Nature、Science和Cell并称为国际四大学术期刊。论文第一作者王翔研究员于2018年底回国加盟邓林红教授团队，2020年获聘江苏特聘教授，并列第一作者为医工院、药学院2018级硕士研究生高蔷，团队青年教师韩潇宁博士、布冰博士、刘磊老师等，本科生王龙飞与硕士研究生李奥琦参与了研究工作，王翔研究员、邓林红教授为论文共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金委员会、江苏省科学技术厅、江苏省教育厅项目的大力支持。

论文链接：https://www.pnas.org/content/118/36/e2106061118