共聚焦顯微鏡成像實(shí)時(shí)觀測(cè)血管生成過(guò)程與精確調(diào)控力學(xué)參數(shù)

本研究由Yasuyuki Hanada, Semanti Halder, Yuichiro Arima, Misato Haruta, Honami Ogoh, Shuntaro Ogura, Yukihiko Shiraki, Sota Nakano, Yuka Ozeki, Shigetomo Fukuhara, Akiyoshi Uemura, Toyoaki Murohara和Koichi Nishiyama共同完成，論文題為"Biomechanical control of vascular morphogenesis by the surrounding stiffness"，于2025年7月在《Nature Communications》正式發(fā)表。

技術(shù)原理
傳統(tǒng)血管生成研究主要依賴生化因子分析（如VEGF信號(hào)通路），但難以解釋機(jī)械環(huán)境的影響。本研究采用的微流體芯片技術(shù)突破了這一局限，通過(guò)三維重構(gòu)血管生成過(guò)程，結(jié)合先進(jìn)光學(xué)成像，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)參數(shù)的可控調(diào)節(jié)與實(shí)時(shí)觀測(cè)。其獨(dú)特機(jī)制在于將力學(xué)信號(hào)（如基質(zhì)剛度、流體壓力）與細(xì)胞行為（遷移、極性建立）直接關(guān)聯(lián)，建立了從分子到組織的多尺度分析平臺(tái)。

關(guān)鍵技術(shù)的原理包括：微流體芯片技術(shù)通過(guò)模擬體內(nèi)三維環(huán)境，使內(nèi)皮細(xì)胞在 fibrin-collagen 凝膠中形成血管樣結(jié)構(gòu)，并允許外部干預(yù)如壓力加載和剛度調(diào)節(jié)；時(shí)間推移差分干涉對(duì)比（DIC）成像以5-15分鐘間隔連續(xù)記錄，捕捉細(xì)胞遷移與管腔形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程，通過(guò)核追蹤和管腔面積量化揭示動(dòng)力學(xué)關(guān)系；共聚焦顯微鏡z軸掃描結(jié)合三維重建，實(shí)現(xiàn)了血管基底膜成分的精確可視化，例如通過(guò)無(wú)去垢劑全樣本染色定量分析IV型膠原沉積；粒子追蹤微流變學(xué)（PTM）技術(shù)通過(guò)植入熒光微球并追蹤其熱波動(dòng)來(lái)量化局部基質(zhì)剛度，creep compliance值越低表明剛度越高，該方法實(shí)現(xiàn)了血管周圍微環(huán)境的原位力學(xué)表征。

重要發(fā)現(xiàn)
本研究的核心貢獻(xiàn)是揭示了周圍剛度通過(guò)力學(xué)平衡整合血管分支伸長(zhǎng)和管腔發(fā)育。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用微流體芯片系統(tǒng)重構(gòu)血管生成，通過(guò)時(shí)間推移DIC成像每5-15分鐘記錄動(dòng)態(tài)，顯示管腔 emergence 和擴(kuò)張抑制了尖端內(nèi)皮細(xì)胞的定向遷移。

共聚焦顯微鏡z軸掃描進(jìn)一步量化血管基底膜組成，發(fā)現(xiàn)周細(xì)胞增強(qiáng)IV型膠原沉積，增加周圍剛度。

PTM技術(shù)通過(guò)熒光珠子熱波動(dòng)測(cè)量剛度，證實(shí)周細(xì)胞或轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶處理能顯著提升 creep compliance，限制管腔擴(kuò)張。結(jié)論表明，周細(xì)胞通過(guò)促進(jìn)EC源性Col-IV沉積增加剛度，從而維持F-BAR蛋白和Arp2/3復(fù)合物在細(xì)胞前緣的定位，優(yōu)化定向遷移和分支伸長(zhǎng)。

挑戰(zhàn)與展望
當(dāng)前臨床轉(zhuǎn)化面臨的主要障礙包括技術(shù)復(fù)雜性高、活體應(yīng)用難度大以及成本昂貴；例如，微流體芯片和高端顯微鏡的集成需要專門(mén)技能，限制了大范圍推廣，而活體環(huán)境中力學(xué)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)仍缺乏非侵入性方法。未來(lái)研究方向應(yīng)聚焦于開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)化型光學(xué)設(shè)備、探索力學(xué)傳感的分子機(jī)制（如機(jī)械敏感蛋白通路），以及推動(dòng)多學(xué)科合作實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到臨床的過(guò)渡，最終為腫瘤血管正�；�和組織再生療法提供可行策略。

DOI:10.1038/s41467-025-61804-z.