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(shì)，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(shí)間分辨率，光遺傳學(xué)已成為時(shí)空控制細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的強(qiáng)大工具。
目前，通過(guò)對(duì)RhoA活性進(jìn)行光遺傳學(xué)控制，已有一些研究可以使用光脈沖來(lái)局部上調(diào)或下調(diào)細(xì)胞產(chǎn)生的力。Valon等人的進(jìn)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(jī)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(jī)械刺激來(lái)探測(cè)組織力學(xué)。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，法國(guó)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(jì)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(guò)利用光來(lái)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(shí)現(xiàn)了對(duì)微組織應(yīng)力和應(yīng)變的監(jiān)測(cè)。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(shí)現(xiàn)了對(duì)微組織特定部分應(yīng)力的時(shí)空控制和測(cè)量，并通過(guò)粒子圖像測(cè)速儀（PIV）進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)組織應(yīng)變的推斷。此外，研究人員對(duì)微組織的流變性進(jìn)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(duì)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(jī)械異質(zhì)性微組織中測(cè)定局部各向異性，以及在組織形成過(guò)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(dú)特的方法來(lái)定量證明物理和生物參數(shù)對(duì)3D組織中細(xì)胞引起的機(jī)械擾動(dòng)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(shí)時(shí)和非破壞性地探測(cè)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(jì)的具有特定幾何形狀的微組織以及相應(yīng)的計(jì)算模型結(jié)合，可以提供一種強(qiáng)大的方法來(lái)分析機(jī)械邊界約束、細(xì)胞收縮性、細(xì)胞外基質(zhì)密度、排列和機(jī)械特性之間復(fù)雜的相互作用。
然而，由于該方法通過(guò)利用組織中的一部分（受刺激的部分）的收縮來(lái)拉伸另一部分（未受刺激的部分）的方式來(lái)探測(cè)后者的機(jī)械特性，因此它本質(zhì)上需要肌動(dòng)球蛋白的活躍運(yùn)轉(zhuǎn)，這可能使對(duì)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(shí)上，完全抑制微組織的收縮能力，例如使用高劑量的肌動(dòng)球蛋白靶向藥物，會(huì)阻礙該方法的使用。然而，只要收縮機(jī)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(dòng)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(shí)長(zhǎng)數(shù)十秒的收縮性激活，而后歷經(jīng)更為緩慢的時(shí)長(zhǎng)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(wú)法將其用于探測(cè)快速機(jī)械變化或量化微組織在不同頻率下的時(shí)間依賴性機(jī)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(shí)間的刺激來(lái)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(guò)例如RhoA的自我放大和自我抑制產(chǎn)生的脫靶效應(yīng)。
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