人體約 60% 由水構(gòu)成，其中超過(guò)一半的水分在構(gòu)成器官與組織的細(xì)胞內(nèi)流動(dòng)。其余大部分水分則像海水滲透沙粒般，在細(xì)胞間的微小空隙中穿梭。

近日，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)組織受到擠壓或物理形變時(shí)，這些細(xì)胞間液體起著關(guān)鍵作用。在發(fā)表于《自然·物理學(xué)》的最新研究中，科學(xué)家們揭示：當(dāng)細(xì)胞間液體流動(dòng)順暢時(shí)，受壓組織更具柔韌性且能更快恢復(fù)；而當(dāng)細(xì)胞排列緊密導(dǎo)致液體流動(dòng)空間受限時(shí)，組織會(huì)變得更為僵硬并抵抗形變。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將幫助科學(xué)家理解細(xì)胞、組織和器官如何適應(yīng)衰老、癌癥、糖尿病及某些神經(jīng)肌肉疾病等狀態(tài)下的物理變化。

這一發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知——過(guò)去學(xué)界普遍認(rèn)為組織的順應(yīng)性主要取決于細(xì)胞內(nèi)部特性（如細(xì)胞器或細(xì)胞骨架）而非細(xì)胞外環(huán)境。研究證實(shí)細(xì)胞間液體的流動(dòng)決定了組織如何適應(yīng)物理壓力，該結(jié)論可廣泛應(yīng)用于多種生理機(jī)制研究，包括肌肉如何承受運(yùn)動(dòng)損傷并恢復(fù)、組織物理適應(yīng)性如何影響衰老進(jìn)程及癌癥等疾病發(fā)展。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為該成果將指導(dǎo)人造組織器官的設(shè)計(jì)。例如在人工組織構(gòu)建中，科學(xué)家可通過(guò)優(yōu)化細(xì)胞間液體流動(dòng)來(lái)增強(qiáng)組織功能或韌性。研究人員推測(cè)，這種流動(dòng)還可能成為輸送營(yíng)養(yǎng)或治療藥物的新途徑，既能促進(jìn)組織修復(fù)，也能靶向清除腫瘤。

“人們?cè)缇椭澜M織細(xì)胞間存在大量液體，但其重要性長(zhǎng)期被忽視，尤其是在組織形變中的作用，”麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系副教授 Ming Guo（郭明） 指出，“我們證實(shí)了這種流動(dòng)的可觀測(cè)性。當(dāng)組織變形時(shí)，細(xì)胞間流動(dòng)才是主導(dǎo)因素。因此在疾病研究和組織工程中，我們必須重視這一機(jī)制。”

郭明于 2004 年和 2007 年在清華大學(xué)工程力學(xué)系先后獲學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，2014 年在哈佛大學(xué)獲得應(yīng)用物理學(xué)博士學(xué)位后在哈佛大學(xué)從事博士后研究工作。2015 年 8 月加入麻省理工學(xué)院，現(xiàn)為機(jī)械工程系助理教授，研究方向主要是細(xì)胞生物物理和生物力學(xué)。

人體組織與器官時(shí)刻承受著物理形變，比如運(yùn)動(dòng)時(shí)大幅度拉伸肌肉，心臟持續(xù)不斷地跳動(dòng)收縮。在某些情況下，組織適應(yīng)形變的難易程度直接關(guān)系到康復(fù)速度，例如過(guò)敏反應(yīng)、運(yùn)動(dòng)損傷或腦卒中的恢復(fù)進(jìn)程。然而，組織形變反應(yīng)的具體機(jī)制至今仍不明確。

這項(xiàng)研究的靈感源自團(tuán)隊(duì) 2020 年針對(duì)腫瘤力學(xué)的突破性發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)研究人員觀察到，擠壓腫瘤會(huì)通過(guò)細(xì)胞間隙增強(qiáng)內(nèi)部流體向外周的輸送，這種流動(dòng)可能攜帶信號(hào)分子，成為腫瘤侵襲性擴(kuò)散的幫兇。基于此，科學(xué)家們開(kāi)始探索非癌變組織中是否也存在類(lèi)似的流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

他們研究了多種生物組織中的細(xì)胞間流動(dòng)現(xiàn)象，包括培養(yǎng)的 3D 細(xì)胞球體和來(lái)源于小鼠胰腺組織的細(xì)胞。他們首先培養(yǎng)了直徑小于 0.25 毫米、包含數(shù)萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的微型組織團(tuán)簇，并將其置于專(zhuān)門(mén)為本研究設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)中。

但這些微組織樣本的尺寸特殊，大到無(wú)法用原子力顯微鏡觀測(cè)，又小到不適合常規(guī)設(shè)備。因此，研究人員自主研發(fā)了裝置。

他們改造了可檢測(cè)微克級(jí)重量變化的高精度微量天平，將其與納米級(jí)精度的步進(jìn)電機(jī)聯(lián)用。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，組織團(tuán)簇在壓力下從球體逐漸攤平成餅狀，天平實(shí)時(shí)記錄其重量變化，同時(shí)高速攝像機(jī)全程捕捉形變過(guò)程。

針對(duì)不同組織類(lèi)型，團(tuán)隊(duì)制備了尺寸各異的團(tuán)簇。他們推斷：若組織反應(yīng)由細(xì)胞間流動(dòng)主導(dǎo)，則體積越大，液體滲透所需時(shí)間越長(zhǎng)，組織松弛耗時(shí)也相應(yīng)增加；若由組織結(jié)構(gòu)決定，則松弛時(shí)間應(yīng)與尺寸無(wú)關(guān)。

在多種組織類(lèi)型的重復(fù)實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)均觀察到相同規(guī)律：團(tuán)簇越大，松弛耗時(shí)越長(zhǎng)，證實(shí)細(xì)胞間流動(dòng)是組織形變反應(yīng)的主導(dǎo)因素。較大組織團(tuán)因液體排出路徑更長(zhǎng)而表現(xiàn)出更遲緩的松弛響應(yīng)，這一規(guī)律在不同組織類(lèi)型中普遍存在，揭示了生物組織力學(xué)的基本原理。

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將這一發(fā)現(xiàn)拓展至大腦研究領(lǐng)域，在這個(gè)液體動(dòng)力學(xué)深刻影響功能與病理的復(fù)雜器官中，促進(jìn)間質(zhì)液體流動(dòng)可能幫助清除阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病相關(guān)的代謝廢物。調(diào)控這些微流體環(huán)境或?qū)⒊蔀榫S護(hù)和修復(fù)大腦健康的新途徑。

郭明團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了“治療性機(jī)械刺激”的創(chuàng)新理念：“我們的研究表明，對(duì)組織施加靶向壓力可驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)。未來(lái)或能開(kāi)發(fā)非侵入性技術(shù)來(lái)‘按摩’組織，增強(qiáng)細(xì)胞微環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)輸送與廢物清除。”這類(lèi)突破性技術(shù)有望革新康復(fù)治療、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)及慢性病管理方案。

這項(xiàng)研究不僅推進(jìn)了基礎(chǔ)生物力學(xué)認(rèn)知，更展現(xiàn)了機(jī)械工程、細(xì)胞生物學(xué)與材料科學(xué)的跨學(xué)科融合。在麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的支持下，該研究證實(shí)了精密測(cè)量工具與概念框架對(duì)解析復(fù)雜生物現(xiàn)象的重要性。隨著研究的深入，將細(xì)胞間流體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用于臨床實(shí)踐與生物工程的前景，或?qū)⒋呱兏镄缘尼t(yī)療創(chuàng)新。

總結(jié)而言，這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性研究揭示了細(xì)胞間液體流動(dòng)對(duì)組織多孔彈性的關(guān)鍵影響，重塑了組織力學(xué)的科學(xué)認(rèn)知。通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)實(shí)驗(yàn)與深刻分析的結(jié)合，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)首次闡明了機(jī)械應(yīng)力下組織行為的隱藏決定因素。其影響將輻射至生物醫(yī)學(xué)研究、臨床策略及人工組織開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，標(biāo)志著人類(lèi)理解細(xì)胞間液體如何塑造生命基本過(guò)程的新紀(jì)元。

1.https://news.mit.edu/2025/mit-engineers-uncover-surprising-reason-why-tissues-are-flexible-rigid-0620