5月14 日，國際權(quán)威雜志《Nature Communications》發(fā)表了華中科技大學(xué)生命學(xué)院汪寧教授團隊研發(fā)的顛覆性技術(shù)——測量三維生物力的新方法。

在這篇題為《用彈性微球定量測量細胞和組織的壓縮力》（Quantifying compressive forces between living cell layers and within tissues using elastic round microgels）的論文中，主要作者為汪寧在伊利諾伊大學(xué)（UIUC）的博士生Erfan Mohagheghian，華中科技大學(xué)生命學(xué)院博士生羅君雨、陳軍見、博士后陳俊威等人。華中科技大學(xué)為第一作者單位。汪寧為資深通訊作者。

近年來研究人員發(fā)現(xiàn)力學(xué)信號對細胞的生長、發(fā)育、分化都起到重要的作用，但如何定量測量生物力并研究其對細胞、組織、乃至器官的影響，是一直困擾著科學(xué)界的巨大難題。多年前科學(xué)家們研發(fā)了可以在體外測量二維生物力的方法。但如何在體內(nèi)測量三維生物力一直無人解決。

汪寧在2009年提出了生物力醫(yī)學(xué)(Mechano BioMedicine)的新概念。生物力醫(yī)學(xué)主要是運用力學(xué)和工程的基本原理，研究生命活動的力學(xué)機理，研發(fā)可在體外和體內(nèi)運用的新技術(shù)，用來調(diào)控生理微環(huán)境，從而達到早期癥斷、治療和治愈某些復(fù)雜疾病的目的。生物力是活細胞內(nèi)肌球蛋白Ⅱ產(chǎn)生的力，是一種電磁力。

汪寧幾年前產(chǎn)生了一個靈感：制作尺寸均勻的彈性微球（Elastic Round Microgel, ERMG）來定量測量三維生物力。他們用自己設(shè)計的微流控芯片和彈性藻酸鹽聚合物制作了和細胞尺寸相近的均勻微型彈性球。每個彈性微球的直徑、力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、與細胞粘附性質(zhì)都完全一樣。他們在彈性微球中加入了許多熒光納米顆粒來定量彈性球的變形，由此計算出生物力。實驗表明這些與生物體相容并無任何毒副作用的彈性微球和活細胞粘附后，細胞對其產(chǎn)生了三維正應(yīng)力和剪切力。經(jīng)過理論計算、模擬實驗和細胞實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)通過定量測量彈性微球的三維形變和已知彈性球的彈性模量，就可定量測量三維生物力。

在動物體內(nèi)實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)斑馬魚早期胚胎發(fā)育時，不同部位的細胞在、不同的時間產(chǎn)生了不同的三維生物力。這些發(fā)現(xiàn)為今后研究生物力是如何影響動物體內(nèi)胚胎發(fā)育的結(jié)構(gòu)和功能打下了堅實的基礎(chǔ)。

汪寧團隊運用彈性微球這一新技術(shù)發(fā)現(xiàn)惡性腫瘤再生細胞（腫瘤干細胞）在三維軟基質(zhì)中增生時，即當(dāng)這些癌細胞克隆逐漸變大時，克隆內(nèi)的壓縮應(yīng)力并沒有增加，這個現(xiàn)象和正常間充質(zhì)干細胞克隆的增生反應(yīng)完全不同。這個發(fā)現(xiàn)表明惡性腫瘤再生細胞和正常的干細胞所產(chǎn)生的三維生物力是完全不同的。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-04245-1