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控制干细胞分化的新方法

来源:    作者:    时间:2016-01-06    点击: 次   

 

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》。
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着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。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着不同的细胞形态。”
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。”(来源:干细胞之家)
 

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