内布拉斯加大学林肯分校的斯科特·施拉格 内布拉斯加州工程师开发的新系统的各种组件，首次记录了成熟细胞间桥或连接处的应力和应变
荣誉:美国国家科学院院刊/埃米尔·莫内米安·伊斯法罕/乔丹·罗森鲍姆/格雷森·明尼克/郭蕊·杨 这对夫妇花了不到一天的时间就形成了一种有机的联系，帮助他们锚定，帮助他们交流和分享资源，让他们走上成为比自己更大的事物的一部分的道路
内布拉斯加大学林肯分校的郭蕊·杨花了很长时间才设计出一种方法来检验这种联系，以前所未有的精度加大压力，同时测量它在达到临界点之前所能承受的应变
有问题的那一对？人体细胞
他们的联系？它们之间形成的物理连接，当有更多的朋友加入时，允许它们形成组织
杨，一位机械与材料工程的助理教授，对他一直忙于应付压力的细胞并无异议
相反，他领导的新出版的作品可能最终会帮助拯救无数的生命
正如《国家科学院院刊》所报道的那样，由于显微工程的艰苦成就，杨和他的同事们现在第一次成功地记录了成熟的个体细胞间连接的生物力学行为
虽然它的跨度只有千分之一毫米，但一个结对它所连接的细胞的命运有着巨大的影响
根据类型的不同，它可以扮演多种角色:防止细胞分离的牧羊人，细胞之间的化学通讯线路，水和营养物质运输的通道
“这是一个非常重要的结构，因为没有它，细胞将被隔离，”杨说
“我们想了解这种结构本身——它能承受多大的力，在这个过程中，细胞能触发多少信号来改变它们的行为，以分离或加强附着
“希望在理解人类发展和疾病时，这些信息会派上用场
" 用于测量细胞间桥的应力和应变的显微组件的图示
荣誉:美国国家科学院院刊/埃米尔·莫内米安·伊斯法罕/乔丹·罗森鲍姆/格雷森·明尼克/郭蕊·杨 该团队对连接处的应力和应变特别感兴趣——通常是建筑和土木工程师的宏观考虑
应力描述施加到给定区域的力的大小；应变描述的是一个物体在受到压力时拉伸或变形的程度
一个物体在不断裂的情况下承受的应力越大，它的抗拉强度就越大
即使当以相对较快的速度分离两个细胞时，研究人员发现它们的连接在断裂前可以延伸到原始长度的两倍以上
“很明显，它们在破裂前能承受这么大的压力，”杨说
尽管如此，研究小组仍然在细胞的微小尺度上施加和测量几乎不可思议的微小力，这些细胞的直径通常不到1/50毫米
没有人曾经想出如何精确地控制和记录这些力，以研究处于自然、完全发展状态的孤立细胞连接的动力学
早期的努力仅限于测试细胞处于悬浮状态而不是锚定状态的连接，使得结果不太具有普遍性，也不太与身体的实际活动相关
杨对长期挑战的解决方案是建造两个梯形平台，放在一起就像一个微型领结
每个平台以三面墙为界，以防止沉积的细胞离开平台，但使其能够与对面的细胞接触并形成连接
细胞也像在体内一样，将自己固定在它们的平台基座上
然后，将其中一个平台从另一个平台移开，开始在它们之间的连接处施加压力
但是这个设计需要另一个组件，一个会带来更大工程挑战的组件
在每个平台下面将放置一系列支撑梁，这些支撑梁的刚度将尽可能接近细胞连接处的刚度
通过将一个平台从另一个平台移开，记录每个平台下支撑梁的变形，然后将两者的大小联系起来，研究人员可以有效地计算细胞连接处的应力和应变
为了满足尺寸、复杂性和灵敏度的要求，该团队决定用软聚合物制造光束，使用激光将凝胶固化成所需的结构
杨和他的同事们首先尝试制造水平梁，最后承认他们无法实现所需的灵活性
因此，他们转向垂直梁——垂直梁本身往往会倒塌，直到研究小组添加了微型桁架，创造出最终达到目的的“A”形支撑
该小组通过向光敏材料发射超短激光脉冲来形成聚合物，从而制作出微观成分的图像
荣誉:埃米尔·莫内米安·伊斯法罕/乔丹·罗森鲍姆/格雷森·明尼克/郭蕊·杨 “平衡柔软度和硬度——检测力的柔软度和经得起制造过程的硬度——是一个非常非常大的挑战，”杨说
“实际上，花了一年多的时间才走到这一步
" 在将他们的新设备连接到所谓的原子力显微镜上后，研究小组开始以不同的速度让细胞连接处承受不同程度的压力，原子力显微镜能产生小到纳米牛顿的力——大约是苹果从树上掉下来的十亿分之一的力
当研究人员迅速拉开其中一个平台时，连接处似乎承受了全部的压力，迅速做出反应
然而，当他们以较低的速度分离时，“行为完全不同，”杨说
在相同的应力水平下，接头没有断裂，而是继续拉伸，超过了另一种情况下的拉伸强度
为什么有区别？研究小组怀疑这主要是由于细胞自身的动态反应，而不是来自连接处
许多类型的细胞，包括杨研究小组测试的上皮细胞，都包含一个细胞骨架:本质上是一个分子链交织的网络
顾名思义，细胞骨架的存在很大程度上是为了给细胞提供结构和支持
然而，它也可以在飞行中重塑自己，例如，重新配置那些链来收缩细胞，或者帮助它迁移
杨认为细胞骨架拉了一个版本的相同的把戏，以消散一些压力，他的团队强加给细胞
“他们很可能有某种内部传感器，所以他们感觉到自己处于压力积聚的危险中，”他说
“如果它们能让链条变长，那么细胞内的压力就会降低
就像拉伸橡皮筋一样
橡皮筋实际上变长了
它们生长并放松张力，放松的张力避免了(连接处的)破裂
“但如果你拉得太快，它们就没有时间去适应
" 这种适应是机械转导的一个主要例子:机械刺激如何改变细胞的行为，有时甚至改变细胞的基因组成
杨说，悬浮细胞不表现出这些适应性的事实强调了在成熟的锚定状态下研究它们行为的重要性
该系统的梯形平台被拉开，以加强两个成熟细胞之间的连接
学分:美国国家科学院学报 杨说，该团队的发现可以被认为是使用该系统收集的众多发现中的第一个
这些发现中的一些可能最终会为旨在预防与某些心脏病和其他疾病相关的连接失败的治疗方法的发展提供信息
“在目前的药物和疗法测试中，人们依赖于(测试)单层细胞，”他说
“你把它们扔到媒体上，然后看到它的大众效应
但是我们只看到了一个交汇点，以便准确地看到发生了什么
我们的目标是提供最基本、最基本的理解，然后可以应用到其他更复杂的情况，在那里你有三维细胞结构
" 该团队通过使用其系统研究E-钙粘蛋白的行为来证明这一潜力，E-钙粘蛋白是一种对形成和维持细胞间连接至关重要的蛋白质。
先前的研究表明，上皮钙粘蛋白的缺乏可能导致细胞间的连接分离和化学信号中断，从而导致癌症肿瘤的扩散
当研究人员以非常低的速率对一个结施加应变时，他们观察到上皮钙粘蛋白聚集在这个结周围
在大约10分钟的时间里，随着应变从10%增加到100%，聚集似乎激增，这表明E-钙粘蛋白的行为也可能有助于在这种情况下观察到的更大的拉伸强度——这是机械转导作用的另一个潜在暗示。
“虽然这些数据只是初步的，但我们目前正在研究许多其他的数据集，”杨说
“但即使是初步的数据也能告诉我们，这种分子可能以某种方式调节这种连接的机制，也可能调节细胞对这种压力的反应
“如果我们能够确定这些连接分子在受到压力时的功能，那么我们就可以测试某些药物的功效，这些药物可能会改变它们的命运
所以我们相信这有可能成为未来的药物筛选平台
"
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