PNAS：再生醫學新突破！幹細胞可定向誘導？

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《轉》譯

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美國科學家發現，故意改變細胞的含水量調控細胞體積，影響細胞的硬度，這可能影響幹細胞分化的方向，這一發現將大大影響未來幹細胞在治療中的應用。

這項由麻省理工（MIT）Guo Ming博士和哈佛大學David Weitz博士領導的研究表明，在不考慮微環境的情況下，從小鼠間充質幹細胞（MSC）中除去水分使細胞縮小，其改變細胞的硬度並促使細胞分化為一種細胞類型，而向細胞中加入水則會引起它們膨脹並分化為另一種細胞類型。這項研究的結果為我們了解和應用幹細胞的生物學特性增加了全新的思路。研究發表在美國科學院院報（PNAS），題為「Cell Volume Change through Water Efflux Impacts Cell Stiffness and Stem Cell Fate」。

細胞體積受到嚴格的調控，且影響許多細胞功能。細胞的體積在細胞生命周期的過程中發生變化，並隨著細胞膜的生長以及蛋白質、DNA和其他細胞內容物質的增加而變大。然而，細胞還可以在短短几分鐘內通過吸收或釋放水分在大小和密度上發生快速變化。哈佛大學和麻省理工學院的這項最新研究最初著重於了解體積對細胞特性和功能的影響，但他們現在不僅確定了細胞體積和細胞剛度之間的直接關係，還發現了細胞體積與細胞分化的命運有關。

將細胞鋪展在基質上，其體積減小，而剛度增加。細胞伴隨著水分的流出體積減小，大分子物質聚集。相反，限制細胞展開的區域導致細胞體積增加。為了測試細胞體積和細胞硬度是否也可能影響幹細胞的分化命運，研究人員給細胞提供支持幹細胞分化成骨細胞或脂肪細胞的生長培養基。首先，他們將正常小鼠的間充質幹細胞置於模擬骨細胞的剛性的硬化水凝膠底物中，在這種環境下，他們驚訝的發現細胞傾向於發育成為前骨細胞。然而，當培養條件變為低滲時，細胞吸收水分並膨脹，即使它們仍然處於剛性基質中，但它們更傾向於分化成前脂肪細胞。類似地，在軟水凝膠基質上生長的小鼠間充質幹細胞傾向於分化成前脂肪細胞，但是除去細胞水分使其體積減小時，它們表現出分化成前骨細胞的傾向。結果表明，我們可以通過改變幹細胞的體積來影響它們分化為成骨細胞或成脂細胞的命運。

在最後一組實驗中，研究人員調查了誘導分化方向的化學因素是否也會觸發細胞體積的變化。他們在軟化水凝膠上培養小鼠間充質幹細胞（細胞通常偏向於往脂肪細胞分化），然後在培養媒介中加入推動細胞分化成骨細胞的物質，在進行成骨分化的過程中甚至分化過程開始之前，細胞體積也出現減少。相反的，在剛性底物上培養的間充質幹細胞在化學誘導下形成脂肪細胞時體積增加。研究人員指出，這些結果表明細胞體積和幹細胞分化強烈相關。

皮層細胞和漿體細胞的體積（剛度）受多種因素的影響，這其中包括不同的底物剛度，細胞的延展面積和外部的滲透壓。而這項研究的觀察結果揭示了細胞剛度/體積與細胞生理之間存在著令人驚訝的關係，而這種關係以前我們都不知道，這將強烈影響到細胞生物學的發展。麻省理工學院機械工程系Guo Ming教授表示：「我們第一次開始了解到細胞體積和細胞含水量對細胞機械性能和生理功能也存在著重要的影響作用。」哈佛大學工程與應用科學學院Weitz教授則認為：「這些實驗觀察到細胞體積似乎對細胞有著異乎尋常重要的影響。這令人十分驚訝！所以以後我們知道細胞體積不僅決定了細胞的剛度，更決定了細胞的命運。這些發現以後也可能用於人為干預細胞的分化，這對未來的生物技術來說非常重要。」

參考資料：

1、Ming Guo, Adrian F. Pegoraro, Angelo Mao, Enhua H. Zhou, Praveen R. Arany, Yulong Han, Dylan T. Burnette, Mikkel H. Jensen, Karen E. Kasza, Jeffrey R. Moore, Frederick C. Mackintosh, Jeffrey J. Fredberg, David J. Mooney, Jennifer Lippincott-Schwartz, and David A. Weitz. Cell volume change through water efflux impacts cell stiffness and stem cell fate. PNAS, September 2017 DOI:10.1073/pnas.1705179114

2、Amount of water in stem cells can determine its fate as fat or bone

3、Manipulating Water Content in Stem Cells Influences Differentiation Fate

END

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