2025年4月21日，工学院黄建永研究员课题组联合中国农业大学朱奎教授课题组、中国科学院深圳先进技术研究院黄术强研究员课题组，在《细胞》（Cell）期刊上在线发表了题为“Tissue geometry spatiotemporally drives bacterial infections”的研究论文。该研究基于多学科交叉的创新设计思路，围绕“生物组织几何结构特征-宿主细胞力信号转导-感染识别”这一主线，系统揭示了组织几何驱动细菌感染的新模式。

宿主细胞牵引力调控细菌感染示意图

细菌感染是一个涉及细菌与宿主相互作用的复杂动态过程。传统研究通常基于生物化学与细胞生物学角度解析细菌感染的机制。近年来，力学因素被证明在调控细菌和细胞的功能和行为方面与生化/代谢因素发挥着同等重要的作用，力学微环境在细菌感染中的作用也逐渐显现。上皮组织作为宿主抵抗外界感染的第一道防线，其组织几何结构和力学微环境因素在调节细菌感染方面的作用及潜在的调控机制尚不明晰。

该研究识别了组织几何调节的细胞牵引力与病原菌-宿主互作之间具有的特定关联性，揭示了细菌感染宿主组织（细胞片层）的时空动态规律，发现病原菌会选择性感染宿主组织（细胞片层）中具有相对高牵引力区域的细胞，即病原菌感染会呈现所谓的“边际效应”。与此同时，研究人员发现力敏感的离子通道蛋白Piezo1介导病原菌-宿主互作并促进细菌感染，并由此提出了以Piezo1相关的力信号转导通路为靶点的抗菌思路。上述工作不仅揭示了力学生物学因素在细菌感染过程中的关键调控作用，也为从生物物理力学视角发展新的宿主导向型抗菌策略和疗法奠定了基础，具有重要的临床应用前景。

细菌选择性感染宿主细胞单层

该研究整合了生物力学、力学生物学、细胞分子生物学、微生物学和生物医学工程相关的多学科交叉研究方法和技术，构建了细菌-宿主细胞互作实验平台，借助连续介质力学模型和细胞牵引力显微镜技术，定量阐明了宿主几何及物理力学特性对细菌感染的时空调控规律，揭示了多种病原菌在上皮细胞单层中的空间感染规律并非传统认为的随机模式，而是展现出明显的空间选择性感染，且该感染模式与组织细胞单层的致密度相关，表明组织几何结构对细菌感染的空间分布具有重要调控作用。在此基础上，该研究进一步揭示了Piezo1在细菌与上皮细胞单层互作过程中扮演的关键调节作用。在细菌侵染宿主细胞过程中，Piezo1会在细菌入侵部位聚集，并激发相关的力信号转导机制，从而加速细菌在该区域的感染。

总之，上述研究工作揭示了“生物组织几何结构特征-力信号转导-感染识别”主导的病原菌-宿主互作新模式，提出了以Piezo1介导的力信号转导通路为潜在靶点的抗菌思路和策略，为开发对抗多重耐药菌的宿主导向抗菌疗法奠定了基础，具有重要的临床应用前景。此外，该项研究也充分展示了力学因素在细菌感染宿主组织细胞过程中发挥着不可忽视的重要作用，预示着经典力学理论、模型和表征技术对定量阐明细菌感染的力学生物学机制具有重要意义。

北京大学为第一作者单位，北京大学工学院博士生韩益明（现为北京大学工学院博士后）、北京大学工学院博士后刘晓晔（现为北京农学院副教授）、中国农业大学博士生曲少奇（现为安徽农业大学教授）为该论文的共同第一作者。黄建永、朱奎、黄术强为该论文的共同通讯作者。