人體約 60% 由水構成，其中超過一半的水分在構成器官與組織的細胞內流動。其餘大部分水分則像海水滲透沙粒般，在細胞間的微小空隙中穿梭。
近日，麻省理工學院團隊發現，當組織受到擠壓或物理形變時，這些細胞間液體起著關鍵作用。在發表於《自然·物理學》的最新研究中，科學家們揭示：當細胞間液體流動順暢時，受壓組織更具柔韌性且能更快恢復；而當細胞排列緊密導致液體流動空間受限時，組織會變得更為僵硬並抵抗形變。這項發現將幫助科學家理解細胞、組織和器官如何適應衰老、癌症、糖尿病及某些神經肌肉疾病等狀態下的物理變化。
這一發現顛覆了傳統認知——過去學界普遍認為組織的順應性主要取決於細胞內部特性（如細胞器或細胞骨架）而非細胞外環境。研究證實細胞間液體的流動決定了組織如何適應物理壓力，該結論可廣泛應用於多種生理機制研究，包括肌肉如何承受運動損傷並恢復、組織物理適應性如何影響衰老程序及癌症等疾病發展。
研究團隊認為該成果將指導人造組織器官的設計。例如在人工組織構建中，科學家可透過最佳化細胞間液體流動來增強組織功能或韌性。研究人員推測，這種流動還可能成為輸送營養或治療藥物的新途徑，既能促進組織修復，也能靶向清除腫瘤。
“人們早就知道組織細胞間存在大量液體，但其重要性長期被忽視，尤其是在組織形變中的作用，”麻省理工學院機械工程系副教授 Ming Guo（郭明） 指出，“我們證實了這種流動的可觀測性。當組織變形時，細胞間流動才是主導因素。因此在疾病研究和組織工程中，我們必須重視這一機制。”
郭明於 2004 年和 2007 年在清華大學工程力學系先後獲學士學位和碩士學位，2014 年在哈佛大學獲得應用物理學博士學位後在哈佛大學從事博士後研究工作。2015 年 8 月加入麻省理工學院，現為機械工程系助理教授，研究方向主要是細胞生物物理和生物力學。
人體組織與器官時刻承受著物理形變，比如運動時大幅度拉伸肌肉，心臟持續不斷地跳動收縮。在某些情況下，組織適應形變的難易程度直接關係到康復速度，例如過敏反應、運動損傷或腦卒中的恢復程序。然而，組織形變反應的具體機制至今仍不明確。
這項研究的靈感源自團隊 2020 年針對腫瘤力學的突破性發現。當時研究人員觀察到，擠壓腫瘤會透過細胞間隙增強內部流體向外周的輸送，這種流動可能攜帶訊號分子，成為腫瘤侵襲性擴散的幫兇。基於此，科學家們開始探索非癌變組織中是否也存在類似的流體動力學機制。
他們研究了多種生物組織中的細胞間流動現象，包括培養的 3D 細胞球體和來源於小鼠胰腺組織的細胞。他們首先培養了直徑小於 0.25 毫米、包含數萬個細胞的微型組織團簇，並將其置於專門為本研究設計的測試平臺中。
但這些微組織樣本的尺寸特殊，大到無法用原子力顯微鏡觀測，又小到不適合常規裝置。因此，研究人員自主研發了裝置。
他們改造了可檢測微克級重量變化的高精度微量天平，將其與奈米級精度的步進電機聯用。實驗過程中，組織團簇在壓力下從球體逐漸攤平成餅狀，天平即時記錄其重量變化，同時高速攝像機全程捕捉形變過程。
針對不同組織型別，團隊製備了尺寸各異的團簇。他們推斷：若組織反應由細胞間流動主導，則體積越大，液體滲透所需時間越長，組織鬆弛耗時也相應增加；若由組織結構決定，則鬆弛時間應與尺寸無關。
在多種組織型別的重複實驗中，團隊均觀察到相同規律：團簇越大，鬆弛耗時越長，證實細胞間流動是組織形變反應的主導因素。較大組織團因液體排出路徑更長而表現出更遲緩的鬆弛響應，這一規律在不同組織型別中普遍存在，揭示了生物組織力學的基本原理。
研究團隊計劃將這一發現拓展至大腦研究領域，在這個液體動力學深刻影響功能與病理的複雜器官中，促進間質液體流動可能幫助清除阿爾茨海默病等神經退行性疾病相關的代謝廢物。調控這些微流體環境或將成為維護和修復大腦健康的新途徑。
郭明團隊進一步提出了“治療性機械刺激”的創新理念：“我們的研究表明，對組織施加靶向壓力可驅動液體流動。未來或能開發非侵入性技術來‘按摩’組織，增強細胞微環境中的營養輸送與廢物清除。”這類突破性技術有望革新康復治療、運動醫學及慢性病管理方案。
這項研究不僅推進了基礎生物力學認知，更展現了機械工程、細胞生物學與材料科學的跨學科融合。在麻省理工學院機械工程系的支援下，該研究證實了精密測量工具與概念框架對解析複雜生物現象的重要性。隨著研究的深入，將細胞間流體動力學應用於臨床實踐與生物工程的前景，或將催生變革性的醫療創新。
總結而言，這項開創性研究揭示了細胞間液體流動對組織多孔彈性的關鍵影響，重塑了組織力學的科學認知。透過嚴謹實驗與深刻分析的結合，麻省理工學院的研究團隊首次闡明瞭機械應力下組織行為的隱藏決定因素。其影響將輻射至生物醫學研究、臨床策略及人工組織開發領域，標誌著人類理解細胞間液體如何塑造生命基本過程的新紀元。
原文連結：
1.https://news.mit.edu/2025/mit-engineers-uncover-surprising-reason-why-tissues-are-flexible-rigid-0620