《Science》压电依赖性机械传感对干细胞行为的影响

干细胞究竟如何感知它们周围的物理力量尚不清楚，但新的发现表明，肠道干细胞依赖于两个离子通道，PIEZO1和PIEZO2，来协调命运的决定和维持。

　　

如果我们能足够近地倾听干细胞，我们可能会听到它们在低语：“机械感觉刺痛。”毕竟，干细胞感知并对周围的物理力量作出反应，维持其效力或追求一种或另一种发育命运。我们甚至可以说干细胞具有超能力。但与卡通超级英雄的力量不同，干细胞的机械感觉能力会对现实世界产生影响。例如，如果这些机械感觉能力失效，干细胞就会出现故障，导致炎症性肠病（IBD）和结直肠癌等健康问题。

有了这么多的利害关系，我们需要正确理解干细胞和机械信号之间的关系。“得体”指的是身体细节。为了获得这些细节，儿童医院（SickKids）和居里研究所的科学家们研究了肠道干细胞（ISC）的生态位。具体来说，他们研究了被称为PIEZO1和PIEZO2的机械敏感信号受体。这些受体是离子通道，在机械刺激下打开，允许钙流入细胞，激活下游信号通路。

从本质上讲，科学家们决定看看如果临床前模型中的肠道干细胞被剥夺了PIEZO1和PIEZO2的能力会发生什么。当科学家敲除PIEZO1和PIEZO2时，结果是戏剧性的：在缺乏PIEZO1和PIEZO2通道的情况下，干细胞不能维持其必要的功能，导致严重的疾病和快速死亡。

详细的研究结果发表在《Science》杂志上，题为“依赖压电的机械传感对肠道干细胞命运的决定和维持至关重要”。

该文章的作者写道：“对基底膜刚度的体内测量表明，ISCs位于隐窝底部更坚硬的微环境中。三维和二维类器官系统与生物工程基质和拉伸装置相结合，揭示了压电通道感知细胞外机械刺激来调节ISC功能。”

该论文的第一作者是病童医院前研究员Meryem Baghdadi博士，论文的资深作者是病童医院高级科学家Tae-Hee Kim博士和居里研究所研究主任Danijela Vignjevic博士。他们领导的这项研究扩展了该论文的合著者之一、病童医院资深科学家Xi Huang博士的工作。

2018年，Huang发现压电离子通道影响脑癌肿瘤硬化。受这项研究的启发，目前研究的合作者开始探索肠道中的干细胞如何利用压电通道保持健康和正常功能。

Kim和Vignjevic的实验室发现，压电离子通道帮助干细胞感知周围环境的物理变化，比如环境的硬度或弹性。没有这些通道，两个关键信号通路就会失衡，导致干细胞错过环境中的重要变化而不正确地分化。

“当压电通道缺失时，干细胞就不能保持干细胞状态。相反，它们会很快转变成其他类型的细胞，导致严重的健康问题。”

这一发现对人类健康具有重大意义，特别是对IBD等干细胞活性异常的疾病。

“我们越来越多地发现，我们的细胞不仅仅是生物，还有化学和机械信号在驱动细胞活动，”Kim说。“我们的身体如何以及为什么会对这些信号做出反应，不仅会为肠道健康，还会为人类健康的各个方面打开新的研究之门。”

“干细胞周围环境的物理特性对我们的健康至关重要，”Kim补充说。“有了这些知识，我们可以探索促进胃肠道再生的方法，不仅可以预防，还可以修复受损的干细胞。”

PIEZO-dependent mechanosensing is essential for intestinal stem cell fate decision and maintenance