华中科技大学教授Nature子刊发文解决技术难题

研究人员针对如何在体内测量三维生物力这一长期难题，研发出了一种颠覆性技术可以测量三维生物力，他们利用这一技术，发现恶性肿瘤再生细胞和正常的干细胞所产生的三维生物力是完全不同的。

　　

来自华中科技大学生命学院的研究人员发表了题为“Quantifying compressive forces between living cell layers and within tissues using elastic round microgels”的文章，针对如何在体内测量三维生物力这一长期难题，研发出了一种颠覆性技术可以测量三维生物力，他们利用这一技术，发现恶性肿瘤再生细胞和正常的干细胞所产生的三维生物力是完全不同的。

这一研究成果公布在Nature Communications杂志上，文章的通讯作者为华中科技大学生命学院汪宁教授，汪宁教授是细胞生物力学领域开拓者之一, 生物力学国际领军人物之一，从上世纪90年代至今的科研工作一直被世界同行所跟踪，所做的创新性研究成果受到同行的广泛认同。

近年来研究人员发现力学信号对细胞的生长、发育、分化都起到重要的作用，但如何定量测量生物力并研究其对细胞、组织、乃至器官的影响，是一直困扰着科学界的巨大难题。多年前科学家们研发了可以在体外测量二维生物力的方法。但如何在体内测量三维生物力一直无人解决。

汪宁在2009年提出了生物力医学(MechanoBioMedicine)的新概念。生物力医学主要是运用力学和工程的基本原理，研究生命活动的力学机理，研发可在体外和体内运用的新技术，用来调控生理微环境，从而达到早期症断、治疗和治愈某些复杂疾病的目的。生物力是活细胞内肌球蛋白Ⅱ产生的力，是一种电磁力。

汪宁几年前产生了一个灵感：制作尺寸均匀的弹性微球（Elastic Round Microgel, ERMG）来定量测量三维生物力。他们用自己设计的微流控芯片和弹性藻酸盐聚合物制作了和细胞尺寸相近的均匀微型弹性球。每个弹性微球的直径、力学性质、化学性质、与细胞粘附性质都完全一样。他们在弹性微球中加入了许多荧光纳米颗粒来定量弹性球的变形，由此计算出生物力。

实验表明这些与生物体相容并无任何毒副作用的弹性微球和活细胞粘附后，细胞对其产生了三维正应力和剪切力。经过理论计算、模拟实验和细胞实验，研究人员发现通过定量测量弹性微球的三维形变和已知弹性球的弹性模量，就可定量测量三维生物力。

在动物体内实验中，研究人员发现斑马鱼早期胚胎发育时，不同部位的细胞在、不同的时间产生了不同的三维生物力。这些发现为今后研究生物力是如何影响动物体内胚胎发育的结构和功能打下了坚实的基础。

汪宁团队运用弹性微球这一新技术发现恶性肿瘤再生细胞（肿瘤干细胞）在三维软基质中增生时，即当这些癌细胞克隆逐渐变大时，克隆内的压缩应力并没有增加，这个现象和正常间充质干细胞克隆的增生反应完全不同。这个发现表明恶性肿瘤再生细胞和正常的干细胞所产生的三维生物力是完全不同的。

作者简介：
汪宁教授于1982年1月在华中工学院获得生物力学学士学位，1984年7月在华中工学院获得生物医学工程硕士学位，1990年6月在哈佛大学获得生理学博士学位，1991年7月至1994年6月期间，在哈佛大学医学院从事博士后工作。1994年7月至2000年6月，在哈佛大学担任助理教授，2000年7月至2005年6月，在哈佛大学担任副教授，2006年3月任美国伊利诺伊大学香滨分校终生正教授，2010年3月入选国家“****”，2014年7月任美国伊利诺伊大学香滨分校冠名讲席教授，2017年3月任华中科技大学生命科学与技术学院院长。

汪宁教授长期从事细胞生物力学、肿瘤干细胞生物学及干细胞生物学相关研究，在力学信号对细胞结构稳定性、基因表达，力学微环境对恶性肿瘤的发生、发展和力学信号对胚胎干细胞分化、发育的影响等方面开展了多项开拓性研究，取得了多项创新成果。汪宁教授是细胞生物力学领域开拓者之一, 生物力学国际领军人物之一，从上世纪90年代至今的科研工作一直被世界同行所跟踪，所做的创新性研究成果受到同行的广泛认同。在 Science， Nature Materials，Nature Reviews Molecular Cell Biology, Nature Communications, Nature Protocols, Cell Stem Cell, PNAS USA等国际权威期刊共发表学术论文一百二十多篇，其中第一作者或通讯作者 70 多篇，所发表的论文被引用>16440次, 其中1993年发表于Science的原创性论文单篇引用超过2830次，H-指数=60。获美国专利 3 项。被美国NIH任命为ICI委员会委员，受邀为美国NIH, NASA, NSF等项目审核专家，也是我国教育部****评审专家，中组部“青年****”评审专家。现为Cellular and Molecular Bioengineering副主编，Molecular Cell Biomechanics编委。

原文标题：

Quantifying compressive forces between living cell layers and within tissues using elastic round microgels