粘液是杯状细胞产生的一种保护性粘液分泌物，覆盖呼吸系统，消化系统和生殖系统的各个器官。粘液的产生对健康至关重要，不平衡可能危及生命。患有哮喘，慢性阻塞性肺疾病(COPD)和溃疡性结肠炎等疾病的患者通常会在杯状细胞过多的情况下产生过多的粘液。杯状细胞的损失可能同样具有破坏性，例如在癌症期间，感染后或受伤期间。粘液的产生，数量和运输之间的平衡至关重要，因此医生和医学研究人员长期以来一直在寻找杯状细胞的起源，并渴望控制其再生过程并保持种群平衡。
最近，匹兹堡大学的一群生物工程师发现了一个杯状细胞再生的案例，该案例不仅容易获得，而且在从早期发育的青蛙胚胎中分离的细胞上发生的异常快。他们的发现发表在本周的《自然通讯》杂志上(DOI：10.1038 / s41467-020-14385-y)。
皮特(Pitt)生物工程教授威廉·开普勒·怀特福德(William Kepler Whiteford)教授兰斯·戴维森(Lance Davidson)领导斯旺森工程学院的机电工程实验室，他的研究人员研究了力学在人类细胞以及非洲原住民蛙中的非洲蟾蜍胚胎中的作用。
戴维森解释说：“非洲爪蟾t像许多青蛙一样，具有呼吸皮肤，可以交换氧气并执行类似于人肺的任务。”“就像人的肺一样，非洲爪蟾呼吸道皮肤的表面是黏液纤毛的上皮，它是由杯状细胞和纤毛细胞形成的组织，还可以保护幼虫免受病原体的侵害。由于这些进化相似性，我们小组使用青蛙胚胎类器官来研究组织力学如何影响细胞生长和组织形成。”
研究这种物种是探索生物力学遗传起源以及如何感测机械线索的一种快速且经济高效的方式，不仅在青蛙胚胎中，而且在全世界都是如此。当临床医生研究患者的癌症时，这种变化可能需要数周，数月甚至数年，但在青蛙胚胎中，变化会在数小时内发生。
戴维森说：“在这个项目中，我们从早期胚胎中取出了一组间充质细胞，使其形成球形聚集体，并在五个小时内开始发生变化。”“已知这些细胞可以分化为多种类型，但是在这种情况下，我们发现它们非常显着地转变为一种细胞，如果它们在胚胎中就不会改变。”
实验室出人意料地发现了一个再生案例，该案例从间充质细胞中恢复了黏液纤毛上皮。他们多次进行了实验，以证实意外的发现，并开始仔细研究哪些微环境提示可以将细胞驱动为全新的类型。
戴维森解释说：“我们拥有调节容纳细胞的机械微环境的工具，令我们惊讶的是，我们发现，如果使环境变得更硬，聚集体就会变成这些上皮细胞。”“如果我们使它变软，我们就可以阻止它们改变。这一发现表明，仅靠机械原理就可以引起细胞的重要变化，这是一件了不起的事情。”
戴维森(Davidson)的小组对受力学影响的细胞如何影响疾病状态感兴趣。本文详述的结果可能会引发癌症生物学的新问题，促使研究人员根据周围环境的刚度或柔软度来考虑某些类型的浸润性癌细胞是否会恢复为静息细胞类型。
“将这些结果应用于癌症生物学时，人们可能会问，'如果肿瘤被软组织包围，它们是否会休眠并基本上是非侵入性的?'或者，“如果您将它们包裹在硬组织中，它们会入侵并变得致命吗?””戴维森说。“这是生物力学可以帮助回答该领域的主要问题。许多研究人员仅专注于化学途径，但我们也正在发现疾病的机械影响因素。”
韩国高级科学技术研究院(KAIST)研究员，MechMorpho实验室前成员Hye Young Kim将在KAIST基础科学研究所的血管研究中心继续这项工作。她将研究细胞活力在再生过程中如何变化以及上皮细胞如何组装新的上皮。Davidson和他的实验室将探索间充质细胞如何感测这种新颖的机械提示，以及如何将这些机械诱导途径与控制细胞命运选择的已知途径整合在一起。
他说：“青蛙胚胎和类器官使我们有无与伦比的途径来研究这些过程，而远远超过了人体器官。”“仅通过扩散生长因子和荷尔蒙来控制再生的古老观念正在被人们认识到，环境的物理机制(例如环境的橡胶性或流动性)起着同等重要的作用。”
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