共聚焦顯微鏡成像實時觀測血管生成過程與精確調控力學參數

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》正式發表。

技術原理
傳統血管生成研究主要依賴生化因子分析（如VEGF信號通路），但難以解釋機械環境的影響。本研究采用的微流體芯片技術突破了這一局限，通過三維重構血管生成過程，結合先進光學成像，實現了力學參數的可控調節與實時觀測。其獨特機制在于將力學信號（如基質剛度、流體壓力）與細胞行為（遷移、極性建立）直接關聯，建立了從分子到組織的多尺度分析平臺。

關鍵技術的原理包括：微流體芯片技術通過模擬體內三維環境，使內皮細胞在 fibrin-collagen 凝膠中形成血管樣結構，并允許外部干預如壓力加載和剛度調節；時間推移差分干涉對比（DIC）成像以5-15分鐘間隔連續記錄，捕捉細胞遷移與管腔形成的動態過程，通過核追蹤和管腔面積量化揭示動力學關系；共聚焦顯微鏡z軸掃描結合三維重建，實現了血管基底膜成分的精確可視化，例如通過無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（PTM）技術通過植入熒光微球并追蹤其熱波動來量化局部基質剛度，creep compliance值越低表明剛度越高，該方法實現了血管周圍微環境的原位力學表征。

重要發現
本研究的核心貢獻是揭示了周圍剛度通過力學平衡整合血管分支伸長和管腔發育。實驗過程中，采用微流體芯片系統重構血管生成，通過時間推移DIC成像每5-15分鐘記錄動態，顯示管腔 emergence 和擴張抑制了尖端內皮細胞的定向遷移。

共聚焦顯微鏡z軸掃描進一步量化血管基底膜組成，發現周細胞增強IV型膠原沉積，增加周圍剛度。

PTM技術通過熒光珠子熱波動測量剛度，證實周細胞或轉谷氨酰胺酶處理能顯著提升 creep compliance，限制管腔擴張。結論表明，周細胞通過促進EC源性Col-IV沉積增加剛度，從而維持F-BAR蛋白和Arp2/3復合物在細胞前緣的定位，優化定向遷移和分支伸長。

挑戰與展望
當前臨床轉化面臨的主要障礙包括技術復雜性高、活體應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技能，限制了大范圍推廣，而活體環境中力學參數的實時監測仍缺乏非侵入性方法。未來研究方向應聚焦于開發簡化型光學設備、探索力學傳感的分子機制（如機械敏感蛋白通路），以及推動多學科合作實現從實驗室到臨床的過渡，最終為腫瘤血管正常化和組織再生療法提供可行策略。

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