Nature Methods：新方法可预测干细胞分化过程

　　

    这是细胞培养实验开始第二天的人体间叶细胞的干细胞免疫荧光图。图中，红色部分为“微柱”，绿色部分为细胞，蓝色部分为细胞核。这个细胞在后期分化为了骨细胞。（图片提供：Michael T. Yang (University of Pennsylvania)）

    这是人体间叶细胞的干细胞扫描电镜图。该细胞被放置在长度为13微米的长“微柱”上生长。在细胞培养实验第二天，细胞产生向心力，这可以从“微柱”的弯曲程度看出。这个细胞在后期分化为了脂肪细胞。（图片提供：Jianping Fu (University of Michigan)）

    这是人体间叶细胞的干细胞被放置在短“微柱”上培养的扫描电镜图。细胞培养实验第二天，这些细胞开始伸展，其伸展程度和施加在“微柱”上的力均大于在长“微柱”培养的细胞。这些细胞在后期分化为了骨细胞。（图片提供：Jianping Fu (University of Michigan)） 
 
美国密歇根大学研究人员近日通过在新型细胞基质上培养成体干细胞的实验，发现了一种可以预测干细胞是如何进行分化并形成何种组织的方法。研究成果刊登在8月1日的《自然—方法学》（Nature Methods）上。
 
干细胞转变为其他种类细胞的过程称为细胞分化。而要想发展以干细胞为基础的再生治疗技术，关键在于充分了解细胞分化。
 
“我们首次证明了，在细胞分化起始阶段，我们就能预测细胞下一步的分化过程。”Jianping Fu说。Fu是密歇根大学机械工程与生物医学工程的助理教授，同时也是文章的第一作者。“通常情况下，要了解掌握干细胞分化的趋势，需要数周甚至更长的时间。我们的研究成果则可以加速这一过程，这在药物筛查和再生医学方面有很大的应用前景。采用我们的方法，可以较早预测干细胞的分化，以及其在新药治疗中将转变成何种细胞类型。”
 
在这项研究中，Fu和他的同事发现，干细胞对它们附着的基质会施加一定的力。这种力很有可能与细胞分化有关，但对其的研究还不及对化学触发的研究那么广泛。研究人员在文章中说，培养干细胞所用基质的刚性确实有助于测定干细胞会转变成何种类型。
 
“经过研究，我们可以肯定地说，和化学因素一样，力学因素在控制细胞分化方面起着同样重要的作用”，Fu说，“而在这以前，干细胞生物学家在很大程度上忽略了这种力学因素”。
 
研究人员构建了一种新型的干细胞基质（支架），其刚性可调节，而无需改变其化学成分，传统的干细胞生长基质则无法做到这点。这种新型的基质支架看起来像是一种微型地毯，上面布满了类似于头发的突起物——“微柱”，由聚二甲基硅氧烷这种弹性聚合物制成，而聚二甲基硅氧烷是橡皮黏土的重要成分，Fu说。研究人员可以通过调节微柱的高度来调节这种基质的硬度。
 
工程师在实验中对骨髓和其他连接组织（比如脂肪）进行提取，得到人体间叶细胞组成的干细胞。干细胞在坚硬的基质中生长，最后分化转变成了骨细胞，而在较软的基质中生长，则分化转变成了脂肪。当研究人员通过这种基质的力学性能观察到了细胞分化之后，他们决定在整个细胞培养过程对细胞的这种附着力进行跟踪测定，看是否能预测到这些细胞的分化。
 
研究人员使用荧光显微镜测量微柱的弯曲程度，从而对细胞这种附着力进行定量分析。“我们的研究表明，如果干细胞要进行分化，那么它们的附着力会比那些没有分化的干细胞要大许多，而干细胞分化成不同类型的细胞，其附着力也会有很大差异。”Fu表示，“我们证明了，可以通过观察这种附着力的变化来提早预测干细胞分化。”
 
制成这种新基质的成型工艺成本很低，研究人员也表示，任何对此有兴趣的科研人员都可以获得这种成型工艺。“我们觉得，这种工艺为整个科研领域提供了一种新的、切实可行的方法。”Fu表示。（科学网 张笑/编译）
 
相关仪器及方法：NSR2005i9步进式投影曝光装置  Prometrix P-10表面轮廓仪  6320FV扫描电镜  Samdri-PVT-3D临界点干燥仪  XL20扫描电镜  ABI 7300实时PCR系统  Axiovert 200M倒置显微镜  新型干细胞基质（支架）
 
完成人：克里斯托弗·陈课题组
 
实验室：美国宾夕法尼亚大学生物工程系 密歇根大学生物工程系与机械工程系 台湾成功大学医学院骨关节研究中心