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)，添加或去除干細胞中的水可以改變細胞的命運。研究發(fā)現(xiàn)，改變細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。在干細胞中，去除水會凝結(jié)細胞，影響干細胞成為僵硬的骨前細胞，而加水會導(dǎo)致細胞膨脹，形成柔軟的前脂肪細胞。研究人員長期以來一直認為干細胞會受到周圍細胞的影響，并根據(jù)相鄰細胞基質(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胞體積和細胞水含量對細胞機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胞特征和功能的影響。細胞體積受到高度調(diào)節(jié)，并且在細胞生命過程中經(jīng)常變化，隨細胞生長而增加，并在細胞分裂時減少。

這些體積變化是細胞內(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。但細胞通過吸收或釋放水，在短短20分鐘內(nèi)擴散或收縮，也可以體驗到大小和密度的快速和極端變化。

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

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

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

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

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

研究人員發(fā)現(xiàn)，改變細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胞有很大關(guān)系。它似乎決定細胞的僵硬度和細胞命運，”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，以及細胞體積或外部線索是否是干細胞命運的主要因素。

再生醫(yī)學(xué)的未來

干細胞處于再生醫(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胞 - 從肌細胞到紅細胞或腦細胞 - 干細胞具有治療各種疾病和病癥的潛力，從心臟病到牙齒脫落。骨髓移植是干細胞療法的一種形式，已經(jīng)廣泛使用。

干細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。

除了細胞硬度或體積等物理線索外，干細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。