研究人員在昨天發(fā)表在“ 美國國家科學(xué)院院刊”(PNAS)上的一項新研究中發(fā)現(xiàn)，添加或去除干細(xì)胞中的水可以改變細(xì)胞的命運。研究發(fā)現(xiàn)，改變細(xì)胞的體積改變了其內(nèi)部動力學(xué)，包括襯在外表面的基質(zhì)的剛性。在干細(xì)胞中，去除水會凝結(jié)細(xì)胞，影響干細(xì)胞成為僵硬的骨前細(xì)胞，而加水會導(dǎo)致細(xì)胞膨脹，形成柔軟的前脂肪細(xì)胞。研究人員長期以來一直認(rèn)為干細(xì)胞會受到周圍細(xì)胞的影響，并根據(jù)相鄰細(xì)胞基質(zhì)的剛度來確定它們的功能。

然而，結(jié)果證實，自然在干細(xì)胞行為和發(fā)育中發(fā)揮著與培育相同的作用。“這項研究的結(jié)果添加一個引人入勝的新工具，我們的理解和利用干細(xì)胞生物學(xué)的再生醫(yī)學(xué)，”普利文阿蘭尼，DDS，博士，合著者，助理教授在口腔生物學(xué)在布法羅大學(xué)部說牙科醫(yī)學(xué)院。

該研究由麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系助理教授Ming Guo博士領(lǐng)導(dǎo)。和哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院物理與應(yīng)用物理學(xué)教授David Weitz博士。“我們第一次開始了解細(xì)胞體積和細(xì)胞水含量對細(xì)胞機(jī)械特性和生理功能的重要性，”郭說，他是哈佛大學(xué)Weitz實驗室的研究生。

骨與脂肪之間的界限

該研究最初試圖了解體積對細(xì)胞特征和功能的影響。細(xì)胞體積受到高度調(diào)節(jié)，并且在細(xì)胞生命過程中經(jīng)常變化，隨細(xì)胞生長而增加，并在細(xì)胞分裂時減少。

這些體積變化是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)，DNA和其他物質(zhì)含量變化的結(jié)果，盡管它們大多數(shù)保持不變。但細(xì)胞通過吸收或釋放水，在短短20分鐘內(nèi)擴(kuò)散或收縮，也可以體驗到大小和密度的快速和極端變化。

通過將細(xì)胞體積增加或減少20%，研究人員發(fā)現(xiàn)細(xì)胞經(jīng)歷了幾次內(nèi)部變化，包括基因表達(dá)和僵硬。

了解細(xì)胞剛度在干細(xì)胞發(fā)育中所起的作用，研究人員開始懷疑細(xì)胞體積是否也會影響它們的命運。

為了測試這一前提，研究人員將干細(xì)胞置于其硬化水凝膠基質(zhì)中的正常體積，以模擬骨細(xì)胞的剛性。一周后，大部分干細(xì)胞發(fā)育成前骨細(xì)胞。

用軟化的水凝膠基質(zhì)重復(fù)該實驗。在較軟的環(huán)境中，成為骨前細(xì)胞的干細(xì)胞數(shù)量顯著減少。然而，當(dāng)從細(xì)胞中除去水以使其體積減少20%時，盡管在較軟的底物中，成為骨前細(xì)胞的干細(xì)胞的數(shù)量增加。

使用玻璃進(jìn)行類似的實驗。研究人員將干細(xì)胞放在玻璃上以模擬更硬的環(huán)境，發(fā)現(xiàn)很少有細(xì)胞發(fā)育成前脂肪細(xì)胞。直到干細(xì)胞體積增加20%才發(fā)現(xiàn)脂肪細(xì)胞形成的峰值。

研究人員發(fā)現(xiàn)，改變細(xì)胞的體積會使它們表現(xiàn)得像環(huán)境壓力一樣。“這些實驗令人驚訝的是觀察到體積似乎與細(xì)胞有很大關(guān)系。它似乎決定細(xì)胞的僵硬度和細(xì)胞命運，”Weitz說，他也是Wyss研究所的核心教員。為生物啟發(fā)工程和哈佛大學(xué)材料研究科學(xué)與工程中心主任。“這些觀察結(jié)果也可能對監(jiān)測細(xì)胞命運的外部手段產(chǎn)生影響，這對未來的生物技術(shù)應(yīng)用可能很重要。”

未來的研究需要檢查不同體積變化的影響，以及細(xì)胞體積或外部線索是否是干細(xì)胞命運的主要因素。

再生醫(yī)學(xué)的未來

干細(xì)胞處于再生醫(yī)學(xué)的最前沿，為研究人員和臨床醫(yī)生提供修復(fù)或替換受損組織和器官的潛力。

由于能夠發(fā)育成任何類型的特化細(xì)胞 - 從肌細(xì)胞到紅細(xì)胞或腦細(xì)胞 - 干細(xì)胞具有治療各種疾病和病癥的潛力，從心臟病到牙齒脫落。骨髓移植是干細(xì)胞療法的一種形式，已經(jīng)廣泛使用。

干細(xì)胞還可以幫助藥物開發(fā)以及對癌癥和出生缺陷如何發(fā)生的理解。

了解導(dǎo)致這些細(xì)胞分化的因素將有助于研究人員產(chǎn)生影響其行為的方法，并最終開發(fā)出新的療法。

除了細(xì)胞硬度或體積等物理線索外，干細(xì)胞分化還可能受到許多生物因素，藥物或生物物理因素的影響，如光，超聲波和射頻。