控制干细胞分化的新方法

最近，哈佛大学的研究人员，开发出一种新的、更精确的方法，来控制干细胞向成骨细胞的分化。这种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。这项研究由SEAS的Robert P. Pinkas教授带领完成，发表在近期的《Nature Materials》。

　　

生物通报道：最近，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）、Wyss生物启发工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）的研究人员，开发出一种新的、更精确的方法，来控制干细胞向成骨细胞的分化。这种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。这项研究由SEAS的Robert P. Pinkas教授带领完成，发表在近期的《Nature Materials》。延伸阅读：机械力如何影响干细胞分化？。

一个细胞的微环境——组织内围绕和连接细胞的蛋白质和聚合物网络，影响一系列的细胞行为，包括干细胞分化。约十年，研究人员已经能够通过调整其微环境的刚度，来指导干细胞的命运。

只调整细胞微环境（也被称为细胞外基质）的刚度，是假设环境表现得就像一个弹性材料，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，就像一个橡胶带。但是，在自然界中，细胞外基质不是弹性的，它们是粘弹性的。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。

Mooney和他的团队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。当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后，他们观察到，细胞的行为和分化发生了剧烈变化。

本文共同第一作者、Mooney实验室博士后Luo Gu指出：“我们发现，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，干细胞到脂肪细胞的分化减少。这是我们第一次在三维中观察到，基质应力松弛对干细胞分化有何影响。”

增加应力松弛不仅显著增加了早期成骨细胞的分化，而且在这些细胞最初分化后，它们继续生长成骨细胞，并形成一个相互关联、富含胶原蛋白的矿化基质，这是骨骼的骨结构特征。

活性氧检测用高选择性荧光探针 终端首次试用，享7.5折优惠!

Mooney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、Mooney实验室以前的博士后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说：“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著不同的细胞形态。”

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。”

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。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Hydrogels with tunable stress relaxation regulate stem cell fate and activity
Abstract: Natural extracellular matrices (ECMs) are viscoelastic and exhibit stress relaxation. However, hydrogels used as synthetic ECMs for three-dimensional (3D) culture are typically elastic. Here, we report a materials approach to tune the rate of stress relaxation of hydrogels for 3D culture, independently of the hydrogel’s initial elastic modulus, degradation, and cell-adhesion-ligand density. We find that cell spreading, proliferation, and osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells (MSCs) are all enhanced in cells cultured in gels with faster relaxation. Strikingly, MSCs form a mineralized, collagen-1-rich matrix similar to bone in rapidly relaxing hydrogels with an initial elastic modulus of 17 kPa. We also show that the effects of stress relaxation are mediated by adhesion-ligand binding, actomyosin contractility and mechanical clustering of adhesion ligands. Our findings highlight stress relaxation as a key characteristic of cell–ECM interactions and as an important design parameter of biomaterials for cell culture.