成像技术揭示了微小细胞簇施加的三维力

普罗维登斯，R.I.[布朗大学]——一组研究人员开发出一种新技术，可以绘制出人体细胞群对周围环境施加的三维力。这种方法可能有助于科学家更好地了解组织是如何形成的，伤口是如何愈合的，或者肿瘤是如何扩散的。

“我们知道组织的细胞与细胞外基质互动的方式是很重要的,我们要理解指令,告诉这些集群成为组织到组织如建筑,或者变得杂乱像一个侵入性肿瘤,”伊恩y . Wong表示,布朗大学工程学院的助理教授和相应的作者的一篇论文描述了在美国国家科学院院刊》上。“这项技术为我们提供了一种分析细胞和基质之间的机械相互作用的方法，这是我们以前无法做到的。”

这项新技术利用了牵引力显微镜(TFM)，这是一种广泛用于研究单个细胞施加的力的成像方法。为了进行TFM测量，研究人员将细胞置于模拟细胞外基质的生物材料中，并包含数千个微小的荧光颗粒。通过追踪细胞在凝胶内的运动，研究人员可以记录细胞在三维空间中推、拉和扭曲生物材料的方式。

这项新技术的目标是将TFM应用于多细胞簇。

“例如，我们知道肿瘤在空间上往往是异质的，细胞在整个肿瘤中表现不同，”共同第一作者苏珊·莱格特(Susan Leggett)说。她在布朗大学(Brown)读博士时领导了这项研究，目前是普林斯顿大学(Princeton University)的博士后研究员。“所以在临床环境中，阐明多细胞簇中的异质行为是很重要的。”

然而，这样做并不容易。每一组细胞的不同行为会很快使分析变得混乱和不精确。处理大型三维数据集的挑战之一是如何以一种方便、快速和读者友好的格式来描述它们。因此，Leggett和她的同事提出了他们所谓的DART(渲染图形的位移阵列)，它实际上将每个集群周围的体积划分为16个不同的区域。通过将主导每个区域的力量映射到一个“飞镖板”显示中，该技术可以以一种易于解释的格式捕获集群中发挥作用的不同力量。研究人员说，这种方法类似于在普通景观或徒步旅行地图中描绘三维地形特征的方法。技术在易于解释的“飞镖板”显示器上输出力的地图。

共同第一作者Mohak Patel，同时也是布朗大学固体力学和计算机科学的博士生，帮助团队简化了追踪生物材料中嵌入的荧光珠所需的图像处理。这种流线型使该技术能够一次成像许多簇，排列在96孔细胞培养板上。研究人员说，这种以前不可能实现的高通量使这项技术更加强大。

为了验证他们的方法，研究人员培养了一群乳腺细胞。在一些集群中，研究人员使用了一种药物来刺激所谓的上皮向间质转化(EMT)。这是一个过程，紧密和相当温顺的上皮细胞转化为细长的和高流动性的间充质细胞。在这项研究中，研究人员能够为上皮细胞簇、间充质细胞簇以及在两者之间处于过渡状态的细胞簇建立不同的力特征。在那里，该团队能够训练出一种机器学习算法，能够准确地识别每个组的集群。

该团队表示，这项技术可以有多种应用，从基础生物学研究到临床癌症研究或精准医疗。“基本上，在细胞需要在细胞外基质中移动的任何环境中，我们都可以使用这种技术来寻找模式，”论文的合著者、威斯康星大学麦迪逊分校机械工程副教授克里斯蒂安·弗兰克(Christian Franck)说。

这项技术可用于研究类有机物，即结构和功能与人体组织和器官相似的小细胞群。这种方法的基础是在培养皿中培养初级人体细胞，以筛选个性化的药物治疗。“你可以想象从肿瘤活检中分离患者细胞，将它们培养在96孔板上，然后用不同的药物治疗，看看它们是否影响这些细胞的迁移和分裂，”Wong说。

该团队已经将这项技术背后的代码免费发布在网上，希望其他研究人员能够找到使用它的创新方法。

论文的其他合著者还有托马斯·瓦伦丁、莉娜·甘博亚、阿曼达·s·邱和伊芙琳·肯德尔·威廉姆斯。这项工作是由美国国立卫生研究院国家癌症研究所的分子分析技术创新项目(R21CA212932),一般医学科学研究所的COBRE癌症研究发展中心(P30GM110759)和国家环境健康科学研究所的培训格兰特在环境病理学(T32ES007272)。