STRESS技术：实现活体细胞与组织机械应力时空动态定量分析的突破性方法

研究团队开发了STRESS（Surface Topography Reconstruction for Evaluation of Spatiotemporal Stresses）自动化分析软件，通过重建球形拓扑结构可变形颗粒（如微滴或凝胶微珠）的几何特征，首次实现了对发育中斑马鱼组织等3D多细胞系统机械应力时空演变的自动量化，为研究力学信号对细胞行为和胚胎发育的调控机制提供了全新工具。该成果发表于《Scientific Reports》。

　　

在生命科学领域，机械力如何调控细胞行为和胚胎发育一直是未解之谜。从细胞机械传导（mechanotransduction）到器官形成，力学因素已被证明在发育过程中起着关键作用。然而，现有知识主要来自体外研究，因为在三维多细胞系统（尤其是活体环境）中测量细胞和组织力学仍面临巨大挑战。传统二维培养皿上的力测量技术无法反映真实生理环境，而油微滴传感器和凝胶微珠等新型技术虽能直接量化发育组织中的机械应力，但缺乏自动化分析软件来解析应力特征的时空演变。

针对这一技术瓶颈，德国德累斯顿工业大学（TU Dresden）"生命物理学"卓越集群与美国加州大学圣巴巴拉分校的研究团队联合开发了STRESS分析平台。这项发表在《Scientific Reports》上的研究，通过创新的几何表征方法，实现了对可变形颗粒表面形貌的自动化重建和应力分析，为三维多细胞系统中的力学研究开辟了新途径。

研究人员主要采用三项关键技术：1）基于射线追踪算法（raytracing）的3D荧光显微图像表面点云重建技术，适用于表面标记和内部标记两种微滴类型；2）采用球谐函数（spherical harmonics）进行全局表面拟合，精确计算平均曲率H(x_s)等几何特征；3）开发空间-时间自相关函数分析方法，量化应力异质性的空间结构和时间持续性。实验使用体积标记的油微滴作为应力传感器，植入发育中的斑马鱼体节前中胚层（presomitic mesoderm）进行60分钟3D延时成像。

研究结果首先展示了表面重建的精确性。通过改进的射线追踪算法，团队成功从内部标记的微滴荧光图像中提取表面点云（图1B-E）。全局球谐拟合实现了亚微米级精度的表面表征，高斯-博内定理验证显示相对误差ε低至10^-13-10^-11（图2D），而体积计算误差仅约1.6%（图2E）。

在应力量化方面，研究揭示了多尺度力学特征。通过公式σ^A=2γ(H-H₀)计算各向异性应力（图2A-B），发现总应力Δσ^A保持稳定（图2H），而组织尺度应力σ_T^A在1小时内增加60%（图3E）。椭球拟合显示应力主轴从前后轴（AP）逐渐转向背腹轴（DV）（图3G），表明组织力学各向异性的动态重构。

细胞尺度应力分析（σ_C^A）发现，高阶变形模式主导总应力（图4D）。球谐模式分解显示第3-4阶模式贡献最大，对应12-17μm的特征长度（图4F-H）。极值应力分析揭示相邻极值间平均距离4μm（图5D），与细胞连接长度相符，应力值分布在100-200Pa范围（图5F）。

时空相关性分析提供了力学动态的新见解。空间自相关显示细胞尺度应力在细胞大小（≈12μm）处出现反相关（图6A-B），而组织尺度应力保持长程相关（图6C）。时间自相关分析表明，细胞尺度应力仅持续数分钟，而组织尺度应力可维持50分钟以上（图6C），证实了其在发育时间尺度上的稳定性。

团队还开发了napari-STRESS插件（图7），实现应力分析与显微图像的4D整合。对比验证显示与Matlab版本偏差小于10%（图7G），且计算效率提升20倍。该Python实现完全基于开源库，符合FAIR原则（Findable, Accessible, Interoperable, Reusable）。

这项研究的意义在于建立了首个自动化分析可变形颗粒几何特征的全流程方法，实现了从单细胞到组织尺度机械应力的时空动态量化。STRESS技术的独特优势在于：1）可解耦不同长度尺度的应力分量；2）能解析应力极值的空间分布；3）提供应力异质性的时空相关性定量描述。该方法已成功应用于斑马鱼胚胎发育研究，未来可拓展至类器官、组织外植体等多种3D多细胞系统，为发育生物学和再生医学研究提供强有力的力学分析工具。

研究还展示了表面积分和体积计算的精确方法，为使用凝胶微珠测量组织压力和双乳液滴测量渗透压奠定了基础。通过开源共享代码和详细文档，该技术将促进力学生物学研究的标准化和普及化，推动对力学信号调控细胞行为和组织形态发生的深入理解。