來自美國加州大學(xué)洛杉磯分校亨利-薩繆理工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員證實(shí)利用比人頭發(fā)寬度小大約1000多倍的微小磁性納米顆粒，他們就能夠操縱上千種如何發(fā)生分裂、改變外形和產(chǎn)生指狀的擴(kuò)展。研究人員說，這種新的工具能夠被用于發(fā)育生物學(xué)中來理解組織如何發(fā)育，或者用于癌癥研究中來發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞如何移動和入侵周圍的組織。相關(guān)研究結(jié)果于10月14日刊登在Nature Methods期刊上。

細(xì)胞被認(rèn)為是一種復(fù)雜的生物機(jī)器，能夠各種各樣的“輸入(input)”和產(chǎn)生特異性的“輸出(output)”，如生長、運(yùn)動、分裂或產(chǎn)生分子。除了輸入之外，細(xì)胞也對輸入的位置極其敏感，這部分上是因?yàn)榧?xì)胞進(jìn)行“空間復(fù)用(spatial multiplexing)”：在細(xì)胞內(nèi)不同的位點(diǎn)利用相同的基礎(chǔ)生物化學(xué)信號執(zhí)行不同的功能。

理解這種信號的定位是特別充滿挑戰(zhàn)性的，這是因?yàn)榭茖W(xué)家們?nèi)鄙俜直媛首銐蚋叩墓ぞ邅砜刂萍?xì)胞微小環(huán)境內(nèi)的功能。鑒于每個(gè)細(xì)胞作出的反應(yīng)能夠發(fā)生變化，因此任何有用的工具將能夠同時(shí)干擾具有類似特征的很多細(xì)胞從而使得它們作出的反應(yīng)得到準(zhǔn)確的分布。

為解決這種問題，包括生物工程副教授Dino Di Carlo、博士后學(xué)者Peter Tseng和電子工程教授Jack Judy在內(nèi)的一個(gè)來自加州大學(xué)洛杉磯分校的跨學(xué)科研究小組開發(fā)出一種平臺來精確地操縱形狀均一的細(xì)胞內(nèi)部的磁性納米顆粒。這些納米顆粒產(chǎn)生一種局部的機(jī)械信號和產(chǎn)生來自細(xì)胞的不同反應(yīng)。

為了獲得這種平臺，一旦細(xì)胞吞入這些小的顆粒(每個(gè)顆粒的尺寸為100納米)，研究小組首先不得不克服通過細(xì)胞的黏性內(nèi)部來移動這些納米顆粒的挑戰(zhàn)。利用能夠讓磁性材料啟動和關(guān)閉的鐵磁技術(shù)，研究小組開發(fā)出一種方法來讓由小的鐵磁塊組成的網(wǎng)格嵌入在微型玻璃載片上和利用附著到細(xì)胞上的蛋白精確地放置單個(gè)細(xì)胞到這些鐵磁塊的附近，其中這些鐵磁塊攜帶有附著到細(xì)胞上的蛋白圖案。

當(dāng)加入一種外在磁場到這種系統(tǒng)中時(shí)，這些鐵磁塊就被啟動，因而能夠在特定的方向拉動細(xì)胞內(nèi)的這些納米顆粒，從而均勻地讓它們對齊。這樣，研究人員就能夠同時(shí)引導(dǎo)和控制上千個(gè)細(xì)胞。

利用這種平臺，這個(gè)研究小組證實(shí)細(xì)胞以幾種方式(包括它們分裂的方式)對這種局部的磁力作出反應(yīng)。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)行復(fù)制而產(chǎn)生兩種子細(xì)胞的過程時(shí)，分裂軸依賴于這種細(xì)胞的形狀和它附著到表面上的錨定點(diǎn)。研究人員發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)納米顆粒產(chǎn)生的磁力能夠改變細(xì)胞分裂軸，以致于細(xì)胞沿著磁力的方向進(jìn)行分裂。

研究人員說，這種對磁力的敏感性可能有助于人們認(rèn)識胚胎發(fā)育期間組織形成和伸展。除了控制分裂軸之外，他們還發(fā)現(xiàn)納米顆粒誘導(dǎo)的局部磁力也能激活一種生物學(xué)程序，在這種程序中，細(xì)胞產(chǎn)生絲狀偽足。利用這些絲狀偽足，細(xì)胞就能夠找到附著的位點(diǎn)。