研究發(fā)現(xiàn)，改變細胞體積會影響細胞的內(nèi)部動態(tài)，如外表面矩陣排列剛度等。對干細胞來說，去除水分，細胞皺縮，干細胞變?yōu)榻┯驳那肮羌毎?。增加水分，細胞膨脹，干細胞變?yōu)槿彳浀那爸炯毎?/span>
很早以前，人們就發(fā)現(xiàn)干細胞會受周圍細胞影響，能根據(jù)周圍細胞基質(zhì)硬度來推斷自己的功能應(yīng)該是什么。
這項由MIT機械工程系d'Arbeloff助理教授Ming Guo博士和哈佛大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院Mallinckrodt物理和應(yīng)用物理學(xué)教授David Weitz博士領(lǐng)導(dǎo)的研究證實了天然環(huán)境對干細胞行為和發(fā)育過程起重要調(diào)節(jié)作用。
“為我們理解干細胞生物學(xué)對再生醫(yī)學(xué)的應(yīng)用增加了一個新工具，”共同作者、紐約州立大學(xué)水牛城分?？谇会t(yī)學(xué)學(xué)院、口腔生物學(xué)系助理教授Praveen Arany說。
“我們開始認識到細胞體積和細胞水含量對其生理功能和機械性能的重要性，”郭博士說，他曾是Weitz博士的研究生。
骨頭和脂肪只有一線之隔
在細胞的一生中，體積變化不僅頻繁且受高度調(diào)節(jié)，生長時體積增加，分裂時體積減少。這項研究zui初是為了了解體積對細胞特性和功能的影響。
體積變化是細胞內(nèi)蛋白質(zhì)、DNA等物質(zhì)數(shù)量變化的結(jié)果，盡管大部分這些物質(zhì)都是保持不變的。通過吸收或釋放水，細胞明顯而快速地經(jīng)歷著膨大和縮小的變化。
減少或增加細胞20%含水量，研究人員發(fā)現(xiàn)，細胞內(nèi)部也經(jīng)歷了一些變化，如基因表達和剛度等。
已知細胞剛度影響干細胞發(fā)育，研究人員開始懷疑細胞體積是否也會影響干細胞命運。
為了測試這個猜測，研究人員首先把正常體積的干細胞放在硬化的水凝膠基質(zhì)上，一周后，大部分干細胞都發(fā)育成了前骨細胞（pre-bone cells）。
用軟化水凝膠基質(zhì)重復(fù)實驗，前骨細胞數(shù)量明顯下降。但是，當研究人員把細胞含水量下調(diào)20%后，躺在軟化水凝膠基質(zhì)上的干細胞決定增加前骨細胞分化數(shù)量。
研究人員又使用更硬的玻璃作為干細胞培養(yǎng)基質(zhì)，結(jié)果是極少有細胞發(fā)育成前脂肪細胞（pre-fat cells），通過提高20%含水量，細胞體積增大后，脂肪細胞的發(fā)育出現(xiàn)高漲。
“這是一個令人吃驚的觀察結(jié)果，細胞體積通過影響細胞內(nèi)部剛度，在很大程度上影響了細胞命運，”Weitz說。對細胞命運決定來說，人工模擬的實驗條件與自然環(huán)境壓力應(yīng)該有類似的效果。“這一新發(fā)現(xiàn)可能會對生物技術(shù)應(yīng)用起重要作用。”
再生醫(yī)學(xué)
干細胞是再生醫(yī)學(xué)的前沿哨兵，為研究人員和臨床醫(yī)生提供了修復(fù)或替換受損組織的基本材料。由于它們具有特化為任意細胞的潛能，因此，具備治療全身上下各類組織器官疾病的潛力。例如，已被廣泛應(yīng)用的骨髓移植就是干細胞治療的一種形式。
了解干細胞分化的原因，將有助研究人員開發(fā)影響它們行為的各種方法，zui終新型治療手段。
根據(jù)目前研究現(xiàn)狀，已知的可影響干細胞分化的手段包括：細胞剛度、體積等物理信號，藥物、生物物理制劑等化學(xué)物質(zhì)，光、超聲和射頻等等。如今，“水含量”也成為了干細胞誘導(dǎo)分化的可用條件。
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