新技术:调整微环境的刚度控制干细胞分化

日期: 2015年12月08日


    

 

我们知道,环境对于一个人的性格、行为养成具有十分重要的影响。而对于细胞来说也是如此,它所处的的微环境——即组织内围绕和连接细胞的蛋白质和聚合物网络,将影响一系列的细胞行为,其中就包括了干细胞分化。

 

根据以上思路,科学家们试图通过调整微环境的刚度来指导干细胞分化的命运。令人欣喜的是,近日,来自哈佛大学的研究人员在Nature Materials上发表了一项研究:称他们通过调整微环境的刚度开发出了一种新的、更精确的方法来控制干细胞向成骨细胞的分化。这项新技术在骨骼的再生、生长和愈合方面,具有广阔的应用前景。

 

但是,微环境的刚度到底是什么意思,又是通过何种方式来得以调整的呢?

 

为了形象地表现这个过程,我们来举个例子。假设环境是一个弹性材料(如橡胶),当在一个弹性材料上施加压力让其变形时,弹性能量被储存;当变形释放时,材料反弹到原来的形状。但是,在自然界中,细胞外基质不是弹性的,而是粘弹性的。粘弹性的材料(如口香糖),当作用一个压力时,随着时间的推移会放松应力和消散能量。

 

因此,研究人员决定通过开发具有不同应力松弛反应的水凝胶,来模拟活体组织的粘弹性。然后,他们将干细胞放在这个粘弹性的微环境中,并调整凝胶放松的速度,便观察到细胞的行为和分化发生了剧烈变化。

 

过程中,他们发现:随着应力的增加(特别是结合水凝胶的刚度增加),成骨细胞的分化增加;随着应力松弛,脂肪细胞的分化减少。这项发现这是他们第一次在三维中观察到基质应力松弛对干细胞分化的影响作用。

 

根据这个实验现象,我们大体可以知道:增加应力松弛不仅可以增加早期成骨细胞的分化,而且在这些细胞最初分化后,它们能够继续生长成骨细胞,并形成一个相互关联、富含胶原蛋白的矿化基质——这就是骨骼的骨结构特征。

 

科学家们有话说

 

研究人员Mooney对此表示:“这项工作不仅对再生生物学提供了新的见解,而且允许我们设计某种材料,积极地促进组织再生。”

 

本文共同第一作者Ovijit Chaudhuri表示:“快速松弛的微环境可促进更多的骨生成,并形成骨骼,原因在于这些模型可能机械地重建基质,更容易改变形状。”

 

Chaudhuri进一步补充道:“想象一下,你被困在一块橡胶中。每一次移动都受到橡胶弹性的对抗。但如果不是橡胶,而是被困在橡皮泥中,它的松弛应力很快,是可塑的,你就可以重塑腻子并左右移动。在我们的实验中,我们发现,更快的应力松弛可允许显着不同的细胞形态。”

 

这似乎违反了“骨细胞需要快速松弛的环境以生长为骨骼”的直觉,因为骨骼是非常坚硬和弹性的。然而,研究小组观察到:骨折周围的微环境与研究小组在实验室开发的快速松弛水凝胶,是非常相似的。

 

Gu说:“凝固的骨髓和骨折血肿,是粘弹性的,并且有快速应力松弛的表现。这可能是一个迹象表明,在自然环境中,当骨折愈合时,它需要一个非常快的应力松弛基质,以协助骨形成。”

 

未来研究的走向

 

这项研究的下一阶段是,在体内测试快速松弛的水凝胶,以探究它们是否促进骨愈合。

 

Mooney说:“这项工作将一个新的概念引入到力生物学和再生医学领域,除此之外,我希望它将带来大量新的研究思路,研究其他一些材料力学性能如何影响细胞的行为。”

 

原文来源于干细胞之家,由赛业生物编辑整理。

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