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生物工程师:基质硬度是干细胞分化的重要工具

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  • 凯瑟琳Hockmuth

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亚当·恩格勒细胞

在三种硬度相同的水凝胶上生长的细胞都显示出脂肪细胞标记,并以相同的方式变形底层基质材料。图片由加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院生物工程系亚当·恩格勒提供。

加州大学圣地亚哥分校的生物工程师已经证明,在引导干细胞成为特定类型的细胞时,用于培养它们的细胞外基质的硬度确实很重要。当把干细胞放在一盘非常坚硬的材料或水凝胶中,大多数干细胞就会变成骨样细胞。相比之下,柔软的材料倾向于引导干细胞进入神经元和脂肪细胞等软组织。由生物工程教授亚当·恩格勒(Adam Engler)领导的研究小组还发现,将干细胞与水凝胶结合的蛋白质并不是先前认为的干细胞分化的因素。该团队8月10日在该杂志的在线预览版上报告说,蛋白质层只是一种粘合剂自然材料

他们的发现证实了恩格勒先前关于基质刚度和干细胞分化之间关系的工作年代

“值得注意的是,你可以看到细胞已经做出了成为骨细胞的第一个决定,只有这一个线索。这就是为什么这对组织工程很重要,”加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院教授恩格勒说。

Engler的团队,包括生物工程研究生Ludovic Vincent和Jessica Wen,他们发现干细胞分化是对水凝胶因细胞施加的力而发生机械变形的一种反应。在一系列实验中,研究小组发现,无论将细胞拴在基质上的蛋白质是紧的、松的还是不存在的,这种情况都会发生。为了说明这一概念,文森特将基质中的孔隙描述为覆盖着蛋白质纤维绳的海绵上的孔。想象一下,一根绳子挂在许多这样的洞上,松松地用几个锚系住,或者紧紧地用许多锚系住。在使用坚硬基质的多个样本中,虽然改变了系留的程度,但研究人员发现干细胞显示出转变为骨样细胞迹象的速度没有差异。研究小组还发现,只要水凝胶的硬度保持不变,基质中孔隙的大小也对干细胞的分化没有影响。

文森特说:“我们使硬度相同,并改变蛋白质呈现给细胞的方式(通过改变孔隙和拴系的大小),并询问细胞是否会改变它们的行为。”“它们只对硬度有反应吗?”无论是拴系还是孔隙大小都没有改变细胞。”

恩格勒说:“在干细胞分化过程中,我们只给出了几十个重要线索中的一个。”“这并不意味着其他线索不相关;它们仍然可以将细胞转化为特定的细胞类型。我们已经排除了多孔性和栓系性,并进一步强调了这个过程中的刚度。”

这篇论文是由加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院生物工程和纳米工程系的Jessica H. Wen、Ludovic G. Vincent、Alexander Fuhrmann、Yu Suk Choi、Kolin Hribar、Hermes Taylor-Weiner、Shaochen Chen和Adam J. Engler合著的《基质刚度和蛋白质系在干细胞分化中的相互作用》。恩格勒也是桑福德再生医学联盟的一名研究员。他的工作得到了美国国立卫生研究院(DP02D006460)的部分资助。

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