磁性微型机器人可以测量细胞刚度和牵引力-磁控微纳机器人

王宁教授（前右）与研究人员一起，左起为Fazlur Rashid，Kshitij Amar和Parth Bhala

科学家们开发了一种微型机械探针，可以测量细胞和组织的固有刚度以及细胞产生和施加在彼此上的内力。研究人员报告说，他们的新型“磁性微型机器人”是第一个能够量化这两种特性的探针，将有助于了解与发育和疾病相关的细胞过程。

他们在《科学机器人》杂志上详细介绍了他们的发现。

“活细胞通过蛋白质相互作用产生力，很难测量这些力，”领导这项研究的伊利诺伊大学厄巴纳 – 香槟分校机械科学与工程教授Ning Wang说。“大多数探针可以测量组织和细胞本身积极产生的力，我们称之为牵引力的特征，或者它们可以测量它们的刚度 – 但不能两者兼而有之。

为了测量细胞硬度，研究人员需要一个相对刚性的探针，可以压缩，拉伸或扭曲组织，并量化它们的抵抗力。但是要测量细胞自身内部产生的收缩或扩张，探针必须相对柔软和柔软。

像其他科学家一样，王和他的同事们已经开发出了探测器来单独测量这些品质中的每一个。但他表示，他想开发一种更通用的探针，可以同时解决这两个问题。这样的探针可以更好地了解这些特性如何影响动脉硬化或癌症等疾病，或者胚胎如何发育。

为了应对这一挑战，Wang和研究生Erfan Mohagheghian寻找在将探针注射到感兴趣的组织后改变探针机械特性的方法。他们使用了由聚乙二醇制成的水凝胶，这种材料已被批准用于人类受试者。

对于这项新研究，该团队开发了一种精确的方法，将磁性“微交叉”嵌入刚性PEG水凝胶中。该研究的共同作者，科罗拉多大学博尔德分校化学和生物工程教授Kristi Anseth已经开发出一种使用紫外线降解和软化水凝胶的方法。

在一系列实验中，研究人员将他们的探针注射到3D实验室培养的肿瘤块和斑马鱼胚胎中。通过使这些组织受到电磁场的影响，科学家们激活了探针，以对组织施加各种应力并测量组织硬度。将肿瘤肿块或胚胎暴露在紫外线下，然后软化探针的PEG基质，使探针能够测量组织内细胞产生的力。

这些探针提供了有关组织硬度和牵引力的精确信息，首次揭示了虽然恶性肿瘤可能会响应周围组织而变得更硬，但癌细胞不会改变它们的牵引力，无论它们是否接近柔软或僵硬的材料。王说，这挑战了一种普遍的看法，即底层组织的物理特征驱动癌细胞内力的变化，使它们能够转移。

“人们认为基质的刚度是癌症进展的驱动力，”王说。“我们的研究结果并不支持这一说法。

王说，这些探针还捕获了胚胎发育过程中细胞的推拉，这可以为动物从单细胞发育到复杂组织时这种振荡如何与器官，组织和四肢的模式相对应提供新的见解。胚胎工作由中国科学院和中国武汉华中科技大学的研究人员进行。

“我们相信在胚胎中检测到的大力振荡对于推动发育的早期阶段非常重要，”王说。