《Materials Today Bio》：A Biohybrid System to Reconstruct Epithelial Morphomechanics
In Vitro
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本刊推荐一项创新性研究。为克服现有体外模型难以模拟平滑肌各向异性、多轴收缩以驱动上皮组织压缩的局限，研究人员开发了生物混合可编程上皮组织压缩系统（BIOPRECS）。该系统将几何工程化的上皮组织与热响应性水凝胶相结合，首次在体外实现了可编程的多轴压缩，成功复现了肺、肠、胃等器官特异性上皮结构，并揭示了压缩力如何调控上皮形态发生和机械转导。这项研究为组织形态力学和再生医学提供了强有力的新工具。
在我们身体的空腔器官，如肠道、肺和胃的内壁，覆盖着一层精密的上皮组织。这层组织并非静止不动，其下方平滑肌层持续、稳定地收缩，像一只无形的手，对上皮施加着持久的机械压力。这种被称为“压缩”的力学过程，对于塑造上皮的微观结构（如形成绒毛、皱褶）和调控组织功能至关重要，是器官发育和维持稳态的核心机制。然而，这种在体内普遍存在且多为各向异性（沿特定方向更强）甚至多轴（同时沿多个方向）的压缩，在实验室中却难以重现。现有的体外模型大多只能实现简单的单向拉伸或压缩，依赖于庞大昂贵的机电设备，且无法与原位细胞培养流程兼容，这严重限制了我们动态、长期地研究压缩力如何从组织尺度到细胞核尺度，全方位地影响上皮细胞的形态、基因表达和功能。
为了解决这一瓶颈，来自韩国浦项科技大学（POSTECH）的Jangwon Yoon、Jaeseung Youn和Dong Sung Kim研究团队在《Materials Today Bio》上发表了一项突破性研究。他们独辟蹊径，开发了一种名为“生物混合可编程上皮组织压缩系统”（Biohybrid Programmable Epithelial tissue Compaction System, BIOPRECS）的简易而强大的平台。这个系统的核心思路非常巧妙：利用一个在37°C生理温度下会发生各向同性（各个方向均匀）体积收缩的热响应性聚（N-异丙基丙烯酰胺）（pNIPAAm）水凝胶，来模拟底层“人工平滑肌”的收缩；通过在其上方构建具有特定几何形状的工程化上皮组织，将水凝胶的均匀收缩“编程”转化为上皮组织沿预定方向的各向异性压缩。就这样，研究人员用最简单的组件——pNIPAAm水凝胶、细胞外基质（ECM）水凝胶和上皮细胞，成功在培养皿里“导演”了一场媲美体内过程的力学变形大戏。
关键技术方法简述
研究主要应用了几项关键技术：1. BIOPRECS系统构建：制备高浓度（~90% w/v）pNIPAAm热响应收缩水凝胶（CH）作为动力源，并在其上构建由上皮细胞单层和ECM水凝胶基底组成的工程化上皮组织（ET）。2. 几何编程与模型设计：通过将ET设计为不同长宽比的矩形、十字形、三叉形等几何构型，并结合建立的收缩应变比（γ）理论模型，实现对压缩方向（单轴、双轴、三轴）和程度的精确控制。3. 多尺度表征技术：使用粒子图像测速（PIV）分析水凝胶收缩场，利用共聚焦显微镜进行三维免疫荧光成像，定量分析组织尺度皱褶、细胞质变形、细胞核形态（如纵横比）和核位置变化。4. 蛋白质组学分析：通过免疫荧光染色，定量检测压缩作用下上皮紧密连接蛋白ZO-1和核纤层蛋白Lamin A的表达变化，以评估屏障功能和核力学适应性。
研究结果
2.1. 模拟多轴上皮压缩的BIOPRECS
研究人员首先展示了BIOPRECS的工作原理。系统成功诱导了上皮组织从宏观到微观的多尺度变形：在组织层面，形成了波长约数十微米的周期性表面皱褶；在细胞层面，观察到细胞质压缩和细胞核拉长。
2.2. 诱导上皮组织各向异性压缩的几何系统设计
为了实现各向异性压缩，团队建立了几何设计准则。他们将ET制成长方体以定义方向，而将CH制成圆盘以利用其各向同性收缩。通过理论建模和实验验证，他们发现当ET的初始尺寸满足特定比例时，CH的收缩能高效地转化为ET沿长轴方向的压缩，而在短轴方向应变很小，从而实现高度的各向异性。例如，在优化尺寸下（ET长20毫米，宽4毫米），ET在长轴方向产生了约50%的压缩应变，而在短轴方向仅约10%，各向异性指数显著升高。
2.3. 各向异性压缩驱动的ET形态与蛋白质组学改变
压缩不仅改变了形态，也引发了功能性的分子响应。免疫荧光显示，压缩后的上皮细胞中，紧密连接蛋白ZO-1的表达在培养第一天即迅速上调并定位于连接处，表明上皮屏障功能得到增强。同时，与核膜稳定性和力学保护相关的核纤层蛋白A（Lamin A）的表达也显著增加。这证明压缩应力能同时强化细胞连接和促进核的力学适应。
2.4. 可编程多轴各向异性压缩再现器官特异性形态力学
这是本研究最突出的亮点之一。通过将多个矩形ET单元组合成十字形（双轴）或三叉形（三轴）构型，BIOPRECS成功在中心区域实现了同时沿多个方向的压缩。更重要的是，利用来自人肺、小肠和胃的上皮细胞，并对应设计单轴（模拟气道）、双轴（模拟肠道）和三轴（模拟胃）的压缩模式，系统成功再现了与各器官原生结构相似的上皮皱褶和折叠模式。这直接证明了多轴机械压缩是驱动器官特异性上皮结构形成的关键物理因素。
研究结论与意义
本研究成功开发了BIOPRECS这一创新型平台，首次在体外利用简单的生物混合系统实现了对上皮组织压缩力学的高度可控和可编程模拟。其核心价值在于：1. 原理创新：通过“几何编程”将各向同性水凝胶收缩转化为各向异性/多轴组织压缩，概念巧妙，设计精简。2. 功能强大：系统能同时驱动从组织皱褶、细胞变形到核形态改变的多尺度力学响应，并诱导ZO-1和Lamin A等关键功能蛋白的上调，实现了形态学与分子机制研究的结合。3. 生理相关性强：成功复现了肺、肠、胃等器官的特异性上皮结构，为研究发育生物学和器官特异性疾病的形态力学基础提供了前所未有的体外模型。4. 应用前景广阔：该系统成本低、与标准培养流程兼容，易于推广。它不仅为深入剖析机械压缩如何调控上皮形态发生、细胞命运和机械转导通路提供了强大工具，也在组织工程、疾病模型（如纤维化、癌症）构建和再生医学等领域展现出巨大的应用潜力。总之，BIOPRECS架起了一座连接物理力学与细胞生物学的桥梁，标志着我们在体外重现复杂生命系统力学微环境方面迈出了关键一步。
