水凝胶微球，登上Nature Nanotechnology！

组织在生理功能中持续产生并承受机械力，一旦调控失常便会驱动疾病。机械信号塑造着组织发育、心血管稳态和肿瘤进展等过程，其中不断累积的内部应力会调节细胞行为、侵袭性和转移潜能。然而，活体组织力学测量长期面临挑战：现有方法或仅适用于透明组织，或具有侵入性，或只能提供单点读数，或无法探测真实应力状态而非刚度等体相性质。

为突破这些障碍，延世大学Jinwoo Cheon教授、加州大学Young-wook Jun教授合作，开发出一种“机械MR微颗粒”（mechanoMR microparticle，M³ M-cube）传感器。该平台将可变形海藻酸盐水凝胶与嵌入的磁性纳米颗粒相结合，把局部机械应力转化为单颗粒磁共振信号，可在0–15 kPa生理相关范围内定量测量局部组织应力。研究团队在肿瘤球体和小鼠异种移植瘤中验证了该平台，实现了肿瘤进展过程中组织应力的无创时空映射，并发现上皮-间质转化（EMT）伴随着独特的应力重塑模式——决定EMT诱导的是应力的突然增加，而非累积或峰值应力幅度。转录组分析进一步揭示，逐渐的应力加载激活细胞保护性的FOXO/AMPK通路，强化上皮稳定性；而急性应力激增则压垮这些防御机制，使细胞倾向于间质重编程。相关论文以“Mechanical stress remodelling drives epithelial–mesenchymal transition in the tumour microenvironment”为题，发表在Nature Nanotechnology上。

M³传感器由约70微米的海藻酸盐水凝胶微颗粒（0.6%）构成，其中均匀嵌入锌掺杂铁氧体纳米颗粒（Zn₀.₄Fe₂.₆O₄，13纳米），通过微流控液滴内点击化学合成（图1a）。在局部应力下，传感器变形、排出水分子，并通过两种耦合机制降低横向弛豫速率（R₂）：变形减少了靠近磁性颗粒的慢扩散水分子比例，同时颗粒间距减小增加了扩散水分子遇到多个纳米颗粒的可能性，通过运动平均进一步降低R₂（图1b–d）。这些效应建立了局部机械应力与MR弛豫率之间稳健的反比关系。校准后的应力-R₂关系可在生理相关范围内定量测量局部组织应力（图1e）。在无外加应力时，MRI中可观察到对应单个微颗粒的明显暗斑，空间分辨率约300 μm，信噪比达9.5，变异系数仅2.4%，信号相对均匀（标准差10%）。这些信号在多种环境条件下保持稳健，包括pH、基质刚度、离子渗透压、蛋白质浓度以及长达4周的连续监测。研究人员最终选择0.6%海藻酸盐负载1.5 μM纳米颗粒的配方，因其在应力灵敏度、低检测限（0.255 kPa）和强MR对比度之间提供了最佳平衡（图1f）。

Fig. 1 | M³传感器的合成、设计和工作原理。

研究人员首先将M³传感器应用于肿瘤球体模型。他们通过将癌细胞和微颗粒共包裹在微加工明胶孔中，形成M³负载球体阵列，并转移到Matrigel基质中（图2a）。在结肠癌（HCT116）、肺癌（A549）和乳腺癌（MDA-MB-231）三种球体中，所有球体在生长过程中均表现出MR信号的逐渐下降，表明应力逐渐积累，但动力学不同，反映了细胞类型特异性的机械重塑（图2b,c）。在肺纤维化模型MRC5球体中，球体逐渐收缩，表现出显著更陡的MR信号下降轨迹，即快速应力积累，而用尼达尼布靶向药抑制重塑可显著减缓应力积累（图2d–g）。在EMT研究中，球体接种3天后用阿扎胞苷‌（5-Azacytidine）处理HCT116球体，MR信号在第5天之前与阴性对照几乎相同，显示出渐进的压缩应力积累；但此后MR信号逆转回原始对比水平，对应于先前积累的压缩应力的释放，且这种逆转与EMT诱导同时发生（图2h–k）。

Fig. 2 | 使用M³传感器对发育中肿瘤球体进行纵向应力监测。

在活体小鼠异种移植瘤模型中，研究人员将M³传感器与HCT116细胞共注射，生成含有稀疏分布单个颗粒的肿瘤（图3a）。单个颗粒信号在超过17天的追踪中，其所在位置表现出渐进的压缩应力积累，范围从0.5到12.4 kPa，但动力学因局部微环境而异，突显了肿瘤生长过程中显著的机械异质性（图3b–e）。为研究EMT是否伴随类似的机械重塑，他们用5-azacytidine或肝细胞生长因子诱导EMT，发现EMT诱导导致肿瘤内平均机械应力降低，但整个EMT诱导肿瘤内的应力高度异质，范围从3到12 kPa（图4a,b）。通过将重建的荧光图与MR断层数据体积对齐（图4c），他们发现位于高波形蛋白表达区域的M³传感器一致报告较低的局部应力（3.5 ± 2.8 kPa），而位于vimentin阴性区域的传感器报告较高的局部应力（7.4 ± 2.8 kPa），支持EMT丰富区域对应于肿瘤内机械上更流体样微环境的观点（图4d）。

Fig. 3 | 活体肿瘤内发育中组织应力的时空映射。

这些发现引出了一个关键问题：是什么决定了某些肿瘤区域选择性激活EMT？通过回顾性分析处理前每个传感器位置的单颗粒读数（图4e），研究人员发现，后来发生EMT的区域的平均应力水平仅略高于EMT阴性区域（图4f），但当比较应力加载速率时，差异极为显著：随后转变为间质状态的位点一致经历了近期局部应力的陡峭增加，而逐渐或最小应力积累的区域很少发生这种转变（图4g,h）。为验证这一假设，他们回到球体系统，施加两种不同的动态压缩方案：一种每6小时逐渐增加应力，另一种在48小时内维持0.5 kPa低基线应力后迅速升至5 kPa（图5a）。尽管两者峰值应力相同，但只有接受急性压缩应力的球体表现出显著增加的波形蛋白报告荧光（图5b），支持了应力施加速率而非其幅度或总负载是EMT启动关键决定因素的观点。

Fig. 4 | EMT期间局部机械应力重塑的单颗粒追踪。

对接受逐渐或急性压缩加载的球体进行批量RNA测序，结果显示：逐渐应力加载的球体与未应激对照紧密聚类，保留上皮样特征；而急性应力加载的球体则位于过渡转录状态，向间质样谱转变（图5c,d）。通路富集分析显示，急性应力加载富集了ROS生成、Ras信号、FoxO信号、OXPHOS、Hippo信号等与EMT密切相关的通路（图5e），但具体表现为NOX2-线粒体ROS/OXPHOS轴激活，而抗氧化通路（包括FOXO、AMPK、ATM）被抑制（图5f–j）。相比之下，逐渐机械应力下的球体表现出相反趋势：NOX2-线粒体ROS/OXPHOS基因下调，而抗氧化和FOXO依赖的程序上调。抗氧化剂处理显著降低了急性应力下的报告基因激活，为ROS信号在急性应激诱导的EMT启动中的作用提供了功能支持。这些结果表明，暴露于持续、可管理应力的细胞激活保护性抗氧化反应，强化上皮稳定性，而急性应力压垮这些防御机制，使平衡向ROS放大、能量重塑和间质转变倾斜（图5k）。

Fig. 5 | 机械应力动态指导EMT期间的转录重编程。

该研究进一步表明，急性机械扰动使细胞倾向于EMT，但不足以驱动稳定的间质承诺。转录组分析显示，尽管急性应力激活EMT相关转录程序，但它未能接合与持续间质转化相关的趋化因子和TNF信号回路，且HMGB2激活的缺失表明这种核压缩通路可能需要更大的组织刚度。在更广泛应用M³平台之前，仍存在若干工程挑战：当前传感器报告局部应力大小，但无法区分压缩、拉伸或剪切应力；当前微颗粒尺寸（1–70 μm）需要局部植入，进一步小型化并保持MR灵敏度对于微创或全身递送是必要的。未来优化磁弛豫率、长期生物相容性和多重传感器设计可进一步提高灵敏度、时间分辨率和多功能性。这些进展应将M³平台的效用扩展到机械演变的生物系统，包括工程组织、再生医学、纤维化、心血管重塑和发育生物学，在这些领域，动态组织应力的定量测量在很大程度上仍无法实现。