丹尼尔·卡罗尔，卡耐基梅隆大学 显示使用NMBS测绘机械生物力的每一步的延时
学分:卡内基梅隆大学 卡耐基梅隆大学生物医学工程和材料科学与工程教授亚当·范伯格、博士后丹·施瓦尔斯基和研究生乔舒亚·塔什曼一起创造了一种新型生物传感器，它揭示了塑造器官发育的机械生物力
这些鲜为人知的力量对医学和研究越来越感兴趣，研究小组的发现为理解疾病和生物工程器官的未来提供了重要的见解
在这种情况下，机械生物力是指由细胞对周围细胞和细胞外环境施加的机械力引起的组织形状和大小的变化
虽然机械力是组织发育不可或缺的组成部分，但在三维空间测量这些力——更不用说在活体组织中了——是极其复杂的
由于缺乏定量信息，在生物工程组织和器官研究中，生理力的结合，尤其是那些驱动正常发育的生理力，在很大程度上被忽略了
如果研究人员能够在发育过程中直接测量这些力和活组织内产生的机械应变，这将导致对基本原理的批判性理解，并为成熟的工程组织提供使用作用力的策略
“通过培养和区分大量功能细胞和诱导多能干细胞的能力，三维组织工程的新时代已经发展到揭示再生医学的潜力，”第一作者希瓦尔斯基说
“然而，研究人员现在发现，除了生长因子驱动的分化过程之外，机械力的包含对于刺激适当的细胞组织和组织功能是必不可少的
" 在他们最近的出版物中，范伯格的团队致力于开发他们的新型纳米机械生物传感器(NMBS)，作为测量和绘制机械生物力对细胞运动、分化和组织生长的影响的手段
NMBS是一种荧光标记的网格，由细胞外基质蛋白制成，单个网格截面从2-100微米不等
通过长时间观察三维NMBS晶格，研究小组能够跟踪细胞及其环境之间的微观运动
通过一系列定制的图像分析和分割技术，他们能够将NMBS细胞诱发的变形转化为一张地图，该地图描绘了机械生物作用力的应变、方向性和动态性
他们的方法通过计算模拟、已知性质材料的机械测试以及将NMBS应用到细胞和发育组织的表面得到了验证
理解机械生物力对发育中的组织施加的变形，对于认识细胞集合如何聚集在一起形成器官至关重要
细胞和细胞外基质在整个生长过程中都受到外力的作用，从而形成一个内聚的系统
如果研究人员能够描绘出在发育过程中起作用的机械生物力，他们就可以开始创造方法来准备和“训练”细胞来复制自然生长过程
随着研究人员对机械生物力及其效应的不断深入了解，NMBS还可能被证明对医学和细胞生物学的未来研究有用
“我们真的很兴奋，NMBS技术将为机械力在广泛的生物现象中发挥的作用提供新的见解，从高血压等疾病到发育过程中新组织和器官的形成
最终，我们希望这些知识将有助于导致新的和改进的疗法，”范伯格说
就像费恩伯格实验室正在开发的三维打印技术一样，NMBS是一种新的工具，旨在克服现代医疗保健和几乎源源不断的实验室培养替代器官之间的主要障碍之一
尽管研究人员距离实现这一目标可能还有几十年的时间，但像这样的重要工具继续推进再生医学的组织工程，并改变对器官发育过程的理解方式
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