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现在，麻省理工学院和波士顿儿童医院的研究人员发现，即使在单个细胞的微观环境中，物理拥挤也会增加相互作用的机会，从而显著改变细胞的健康和发育。
在今天发表在《细胞干细胞》杂志上的一篇论文中，研究人员已经证明，物理挤压细胞，拥挤其内容物，可以触发细胞比正常情况下更快地生长和分裂。
虽然挤压某些东西使其生长可能听起来违反直觉，但该团队有一个解释:挤压的作用是将水从细胞中挤出。在更少的水里游泳，蛋白质和其他细胞成分被挤得更紧。
当某些蛋白质靠近时，它们可以触发细胞信号并激活细胞内的基因。
在他们的新研究中，科学家们发现挤压肠细胞会触发蛋白质沿着特定的信号通路聚集，这可以帮助细胞维持其干细胞状态，这种未分化状态可以快速生长并分裂成更特化的细胞。
麻省理工学院(MIT)机械工程副教授郭明(Ming Guo)表示，如果可以简单地挤压细胞以促进它们的“干性”，那么它们就可以被引导快速构建微型器官，如人造肠或人造结肠，然后可以用作了解器官功能和测试各种疾病候选药物的平台，甚至可以作为再生医学的移植。
郭的共同作者是麻省理工学院的李一伟、胡纪良和林启荣，以及波士顿儿童医院的陈茂荣、盛仁和何曦。
为了研究挤压对细胞的影响，研究人员将不同类型的细胞混合在溶液中，这些溶液凝固成橡胶状的水凝胶。为了挤压细胞，他们在水凝胶表面放置重量，以25美分或10美分的形式。
该团队使用共聚焦显微镜在3D中测量每个样本被压缩时单个细胞形状的变化。正如他们所料，细胞随着压力而缩小。但是挤压是否也会影响细胞的内容物呢?
为了回答这个问题，研究人员首先观察了细胞的含水量是否发生了变化。如果挤压的作用是将水分从细胞中挤出，研究人员推断，细胞的含水应该更少，因此更硬。
他们使用光学镊子测量了施加重量前后细胞的刚度，光学镊子是郭的实验室多年来用于研究细胞内部相互作用的一种基于激光的技术，他们发现细胞确实会随着压力而变硬。
他们还发现，被挤压的细胞内运动较少，这表明它们的内容物比平时更密集。
接下来，他们观察细胞中某些蛋白质之间的相互作用是否发生了变化，这是对细胞被挤压的反应。他们集中研究了几种已知能触发Wnt/β-连环蛋白信号的蛋白质，这些蛋白质与细胞生长和“干性”的维持有关。
“一般来说，已知这一途径使细胞更像干细胞，”郭说。“如果你改变这一途径的活动，癌症的发展和胚胎的发育就会大不相同。所以我们认为我们可以利用这一途径来证明细胞拥挤是多么重要。”
为了观察细胞挤压是否会影响Wnt通路，以及细胞生长的速度，研究人员培养了小型类器官——微型器官，在这种情况下，从小鼠肠道中收集的细胞簇。
“Wnt通路在结肠中特别重要，”郭说，并指出排列在人体肠道内的细胞不断得到补充。他说，Wnt通路对于维持肠道干细胞、产生新细胞和“刷新”肠道内膜至关重要。
他和他的同事们在几个培养皿中培养了肠道类器官，每个大约有半毫米长，然后通过向培养皿中注入聚合物来“挤压”类器官。聚合物的涌入增加了每个类器官周围的渗透压，迫使水从细胞中流出。
研究小组观察到，其结果是，参与激活Wnt通路的特定蛋白质聚集在一起，更有可能聚集在一起，开启该通路及其生长调节基因。
结果是:那些被挤压的类器官实际上长得更大、更快，表面上的干细胞比那些没有被挤压的器官多。
“差别非常明显，”郭说。“只要你施加压力，类器官就会变得更大，有更多的干细胞。”
他说，研究结果证明了挤压如何影响类器官的生长。研究结果还表明，细胞的行为可以根据它所含的水量而改变。
郭说:“这是非常普遍和广泛的，潜在的影响是深远的，细胞可以简单地调节它们需要多少水来调节它们的生物后果。”
展望未来，他和他的同事们计划探索细胞挤压作为一种加速人造器官生长的方法，科学家们可能会用它来测试新的个性化药物。
郭说:“我可以把我自己的细胞转染成干细胞，然后这些干细胞可以发育成模仿我自己器官的肺或肠道类器官。”“然后我可以施加不同的压力来制造不同大小的类器官，然后尝试不同的药物。我想会有很多可能性。”
