組織工程具有開發(fā)體外器官模型系統(tǒng)的巨大潛力。隨著2000年代后期開始的小型化趨勢，三維（3D）微組織模型已被用于研究受損纖維組織的修復(fù)、心肌和肺組織的形成和成熟等組織生物學(xué)的基本特征。此外，由于具有較高的空間和時間分辨率，光遺傳學(xué)已成為時空控制細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的強大工具。

目前，通過對RhoA活性進行光遺傳學(xué)控制，已有一些研究可以使用光脈沖來局部上調(diào)或下調(diào)細(xì)胞產(chǎn)生的力。Valon等人的進一步研究證明，細(xì)胞張力的變化與二維上皮單層中的組織變形有關(guān)，表明細(xì)胞具有作為機械執(zhí)行器的潛力。這種生物執(zhí)行器可用于使用光誘導(dǎo)的生理機械刺激來探測組織力學(xué)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)（University Grenoble Alpes）的研究人員結(jié)合組織工程和光遺傳學(xué)技術(shù)，設(shè)計了由封裝在膠原蛋白中的光基因修飾的成纖維細(xì)胞組成的微組織，并通過利用光來控制調(diào)節(jié)細(xì)胞收縮性的主要因子——RhoA的活性，成功在微組織內(nèi)誘導(dǎo)了局部收縮，并實現(xiàn)了對微組織應(yīng)力和應(yīng)變的監(jiān)測。相關(guān)研究成果以“Light-driven biological actuators to probe the rheology of 3D microtissues”為題，發(fā)表于Nature Communications期刊。

圖1 微組織的光控收縮

基于所提出的組織工程耦合光遺傳學(xué)的方法，該研究實現(xiàn)了對微組織特定部分應(yīng)力的時空控制和測量，并通過粒子圖像測速儀（PIV）進一步實現(xiàn)了對組織應(yīng)變的推斷。此外，研究人員對微組織的流變性進行了探索，并證明了所提出的方法在量化懸臂剛度、細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）以及成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞的分化對組織彈性的影響方面的潛力。最后，該研究展示了所提出的方法在機械異質(zhì)性微組織中測定局部各向異性，以及在組織形成過程中使用重復(fù)刺激影響組織結(jié)構(gòu)的能力。

圖2 光遺傳學(xué)誘導(dǎo)收縮的各向異性與微組織結(jié)構(gòu)相關(guān)

圖3 光誘導(dǎo)的局部收縮證明了微組織的粘彈性

總之，組織工程和光遺傳學(xué)的結(jié)合提供了獨特的方法來定量證明物理和生物參數(shù)對3D組織中細(xì)胞引起的機械擾動的產(chǎn)生、傳播和傳感的影響。最重要的是，該方法為使用構(gòu)成3D組織的細(xì)胞本身作為內(nèi)部執(zhí)行器實時和非破壞性地探測3D組織的流變性鋪平了道路。總而言之，將細(xì)胞收縮性的光遺傳學(xué)控制與專門設(shè)計的具有特定幾何形狀的微組織以及相應(yīng)的計算模型結(jié)合，可以提供一種強大的方法來分析機械邊界約束、細(xì)胞收縮性、細(xì)胞外基質(zhì)密度、排列和機械特性之間復(fù)雜的相互作用。

然而，由于該方法通過利用組織中的一部分（受刺激的部分）的收縮來拉伸另一部分（未受刺激的部分）的方式來探測后者的機械特性，因此它本質(zhì)上需要肌動球蛋白的活躍運轉(zhuǎn)，這可能使對于細(xì)胞骨架成分在調(diào)節(jié)組織力學(xué)中的作用的研究復(fù)雜化。事實上，完全抑制微組織的收縮能力，例如使用高劑量的肌動球蛋白靶向藥物，會阻礙該方法的使用。然而，只要收縮機制至少部分活躍，該方法就仍然有效，例如，只使用中小劑量的肌動球蛋白靶向藥物。

此外，盡管CRY2富集到細(xì)胞膜的速度非常快（幾秒鐘），但它的解離速度較慢（幾分鐘），而RhoA通路的激活導(dǎo)致細(xì)胞先發(fā)生時長數(shù)十秒的收縮性激活，而后歷經(jīng)更為緩慢的時長幾分鐘的松弛。因此，細(xì)胞誘導(dǎo)性收縮和松弛需要將近20分鐘，因此無法將其用于探測快速機械變化或量化微組織在不同頻率下的時間依賴性機械響應(yīng)。最后，該方法中的光遺傳學(xué)靶標(biāo)RhoA有許多下游效應(yīng)器。雖然該研究使用單一的、短時間的刺激來誘導(dǎo)微組織的彈性反應(yīng)，而不產(chǎn)生類似細(xì)胞骨架重塑等類型的持久影響，仍然不能排除可能存在通過例如RhoA的自我放大和自我抑制產(chǎn)生的脫靶效應(yīng)。

審核編輯：劉清