【Paper 1】

細胞微環境的機制透過細胞骨架重塑和肌動球蛋白收縮力連續調節細胞功能，例如生長，存活，凋亡，分化和形態發生。儘管所有這些過程都消耗能量，但尚不清楚細胞是否以及如何使它們的代謝活性適應各種機械提示。2月，美國UT西南醫學中心Christoph J. Burckhardt和Gaudenz Danuser教授團隊在《Nature》上發表了Mechanical regulation of glycolysis via cytoskeleton architecture的文章。他們報道人支氣管上皮細胞從硬質基質向軟質基質（膠原蛋白水凝膠）的轉移透過限速代謝酶磷酸果糖激酶（PFK）的蛋白酶體降解而引起糖酵解下調。PFK降解是由應力纖維的分解觸發的，應力纖維的釋放釋放了靶向PFK的E3泛素連線酶三重基序（TRIM）的蛋白21（TRIM21）。轉化後的非小細胞肺癌細胞，無論環境機制如何變化，都能維持較高的糖酵解速率，並透過下調TRIM21以及將殘留的TRIM21螯合在對底物剛度不敏感的應力纖維子集上來保留PFK表達。資料揭示了糖酵解對肌動球菌細胞骨架的結構特徵作出反應的機制，從而將細胞代謝耦合到周圍組織的機械特性。這些過程使正常細胞能夠在可變的微環境中調節能量產生，而儘管受到腫瘤組織的不斷變化，細胞骨架對機械訊號的抵抗仍能使高糖酵解速率持續存在於癌細胞中。參考：doi.org/10.1038/s41586-020-1998-1。

【Paper 2】

諸如骨頭，牙齒和軟體動物殼之類的生物材料以其出色的強度，模量和韌性而聞名。這樣的性質歸因於在延展性有機基質內的無機增強奈米填料，尤其是二維奈米片或奈米片的精細的層狀微觀結構。受這些生物結構的啟發，已經採用了多種組裝策略（包括逐層，澆鑄，真空過濾和使用磁場）來開發層狀奈米複合材料。然而，如何以通用，可行和可擴充套件的方式生產超強層狀奈米複合材料仍然是一個懸而未決的問題。4月，Nature雜誌發表了Layered nanocomposites by shear-flow-induced alignment of nanosheet北京航空航天大學化學學院劉明傑教授課題組在超強材料方面的最新研究成果“。趙創奇博士、張鵬超博士、周嘉嘉副教授為第一作者。作者提出一種策略，在不混溶的水凝膠/油介面處，利用剪下流誘導的二維奈米片的排列，生產具有高度有序的層狀結構的奈米複合材料。例如，基於氧化石墨烯和粘土奈米片的奈米複合材料顯示的拉伸強度高達1,215±80兆帕斯卡，楊氏模量為198.8±6.5千兆帕斯卡，分別比天然珍珠母高9.0和2.8倍。珍珠）。當使用粘土奈米片時，所得的奈米複合材料的韌性可以達到每立方米36.7±3.0兆焦耳，是天然珍珠母的20.4倍。同時，抗張強度為1,195±60兆帕。定量分析表明，排列良好的奈米片形成了關鍵的中間相，這導致了觀察到的機械效能。我們認為，我們的策略可以很容易地擴充套件以對齊各種二維奈米填料，可以應用於各種結構複合材料，並導致高效能複合材料的發展。參考：doi.org/10.1038/s41586-020-2161-8。

【Paper 3】

在重建手術中已經利用了面板響應拉伸而生長的能力。儘管已經在體外研究了表皮細胞對拉伸的反應，但尚不清楚機械力如何影響其在體內的行為。7月，英國劍橋大學Benjamin D. Simons和比利時布魯塞爾自由大學CédricBlanpain教授團隊團隊在《Nature》上發表了題為’’Mechanisms of stretch-mediated skin expansion at single-cell resolution’’一文。他們開發了一種小鼠模型，其中可以在單細胞解析度下研究面板表皮拉伸的後果。揭示了面板在拉伸時進行擴張的機制，將努力利用這些機制促進傷口癒合或刺激組織擴張。該課題組在小鼠模型的面板下注入了一種約會了一種自充氣水凝膠來對面板進行擴張。這就好比模擬橡皮在外力作用下能夠收縮一樣，透過將膨脹水凝膠的體積”拉扯”面板來增加死亡率。結果發現，擴張後的前兩天，小鼠的表皮細胞體積增加而細胞密度降低，甚至恢復回落值。這表明面板可以感知外界壓力，從而導致壓力做出適應性的調整。使用將克隆分析與定量建模和單細胞RNA測序相結合的多學科方法，表明拉伸可透過在表皮幹細胞的更新活性中產生瞬時偏倚來誘導面板擴張，而基礎祖細胞的第二個亞群仍致力於分化。轉錄和染色質分析可以確定如何透過拉伸調節細胞狀態和基因調控網路。使用藥理抑制劑和小鼠突變體，作者定義了在體內以單細胞解析度控制拉伸介導的組織擴張的逐步機制。參考：doi.org/10.1038/s41586-020-2555-7。

【Paper 4】

在過去的二十年中，大量的研究確定了細胞外基質（ECM）的彈性或剛度會影響細胞的基本過程，包括擴散，生長，增殖，遷移，分化和類器官的形成。線性彈性聚丙烯醯胺水凝膠和塗有ECM蛋白的聚二甲基矽氧烷（PDMS）彈性體被廣泛用於評估剛度的作用，這種實驗的結果通常被認為可再現體內細胞經歷的機械環境的影響。但是，組織和ECM並非線性彈性材料，它們表現出更為複雜的機械行為，包括粘彈性（對載荷或變形的時間依賴性響應）以及機械可塑性和非線性彈性。8月，斯坦福大學Ovijit Chaudhuri，昆士蘭大學Justin Cooper-White，賓夕法尼亞大學Paul A. Janmey、Vivek B. Shenoy，哈佛大學David J. Mooney 五位細胞力學和生物材料專家大佬合作在《Nature》上釋出了題為“Effects of extracellular matrix viscoelasticity on cellular behaviour ”的綜述文章，他們回顧了組織和ECM的複雜力學行為，討論了ECM粘彈性對細胞的影響，並描述了粘彈性生物材料在再生醫學中的潛在用途。最近的工作表明，基質粘彈性調節這些相同的基本細胞過程，並且可以促進在二維和三維培養微環境中用彈性水凝膠觀察不到的行為。這些發現提供了對細胞-基質相互作用以及這些相互作用如何差異調節細胞中機械敏感分子途徑的見解。此外，這些結果提出了下一代生物材料的設計指南，其目標是使組織和ECM力學相匹配，以用於體外組織模型及其在再生醫學中的應用。參考：doi.org/10.1038/s41586-020-2612-2。

【Paper 5】

9月，瑞士洛桑聯邦理工學院Matthias P. Lutolf教授團隊在《Nature》上發表了題為“Homeostaticmini-intestines through scaffold-guided organoid morphogenesis”的論文。該文論述了透過支架引導產生類器官形態發生，實現迷你小腸的構建。為了使腸類器官塑造出其特有的隱窩和絨毛結構的形態。作者製備了一種支架，該支架可滲透氣體，營養物和大分子，從而促進腸道幹細胞（ISC）的有效粘附，增殖和分化。並且該支架足夠堅硬，可以用作將ISC的增長限制為預定形狀的物理障礙。之後在小鼠模型上進行驗證，作者將水凝膠（I型膠原和基質凝膠）合成物整合到一個可灌注的平臺上，以生成一個混合微晶片系統，該系統由一個彈性裝置組成，該裝置帶有一個用於水凝膠裝載和隨後的類器官培養的中心腔，兩側是一對（入口和出口）儲器，用於細胞裝載和腔內灌注，以及透過水凝膠為組織的基底側提供介質和生長因子。參考：doi.org/10.1038/s41586-020-2724-8