机械力如何影响干细胞分化？

采用一种独特的工具箱，研究人员就能用珠子按摩细胞，以了解机械力如何影响干细胞分化。

间充质干细胞――是不断更新我们的骨骼、软骨和肌肉的成体干细胞，因为它们可大量生产各种各样不同的愈合因子，因此被认为具有治疗疾病的巨大潜力。大量的临床试验正在研究这些细胞，用于许多疾病（从糖尿病到脊髓损伤）的治疗。

2006年，在Cell发表的一项研究发现，这些神秘细胞生长在何种表面，引导着它们朝向特定的命运。在坚硬表面生长的细胞，会变成骨细胞，而那些在柔软表面培养的细胞，则会变成柔软的细胞类型，如脂肪细胞。

加州大学圣地亚哥分校生物工程学副教授Yingxiao (Peter) Wang 说：“很明显，这些间充质干细胞能感觉或探测力学环境。”他的研究团队希望了解这究竟是如何发生的。

最近他们取得了一定的进展，在《eLife》杂志上发表的一项研究中，Wang和同事解释了“推拉单个间充质干细胞的外部，如何可以影响其内部的钙释放动力学”。

哥伦比亚大学生物医学工程和医学教授Gordana Vunjak-Novakovic 没有参与这项研究，但是他指出：“这篇论文真正巧妙的地方在于，它阐明了细胞行为一些完全未知的力学调控机制。”

我们体内的细胞可响应各种物理力量，如血液流动或运动，这并不新奇或令人吃惊。探索生物学的机械方面，对于各种疾病（如动脉粥样硬化，哮喘，关节炎），是非常重要的。

Vunjak-Novakovic说：“研究人员对此有浓厚的兴趣。困难在于，我们对细胞膜和细胞核内变化之间的物理作用的实际发生机制，还知之甚少。”

珠子与细胞相遇
要回答这个问题，需要单细胞操纵。Wang完善了一种技术组合――开发和利用Förster共振能量转移（FRET）为基础的生物传感器、光学镊子以及RNA干扰。

在2014年，Wang的研究团队在PLOS ONE发表的一项研究表明，通过拉伸间充质干细胞正在生长的凝胶基质，可以使单个间充质干细胞变形，从而触发细胞内钙振荡。在这项新的研究中，Wang的研究团队采用了基于FRET的钙传感器及其变体，靶定细胞内的特定细胞器，特别是内质网（ER）。ER负责细胞特有的钙波动，反过来这对一系列功能（包括分化）很重要。

科学家将粘性的纳米珠（直径10米）附着在骨髓间充质干细胞的外面，用激光拉动纳米珠，应用微量的机械力，Wang将其比喻为 “细胞按摩。”

生长在钙缺乏培养基中的细胞，会响应“按摩”，从而表明钙被ER释放。令人惊讶的是，阻断外膜中一个拉伸激活的钙通道，可阻止细胞器的钙释放。

外膜上的一次拉动如何会引发内质网的钙释放，尚不清楚。研究小组使用另外的生物传感器来区分两种可能的机制：拉伸可激活导致内质网钙释放的生化信号通路，或者拉伸是改变ER通道的直接机械力。

该小组发现，后者是真的。特别是，ER的感知能力依赖于细胞骨架以及肌动球蛋白的收缩性。Wang说：“这对我们来说是非常令人兴奋的。”

麻省理工学院生物和机械工程教授Roger Kamm没有参与该研究，他说：“当你向细胞外部施加一个力时，你主要加压的是外脂质双分子层中的钙敏感通道。这项研究表明，这个过程是比较复杂的。”

Kamm说，事实上，通过细胞骨架传播的力量，可引起内质网钙释放，是人们一段时间以来的假设，但直到现在还没有得到证明。

Wang的研究小组使用的这一技术，使我们能够调查过程的动态――它是一个动态的过程。整合Wang所用的技术，是具有挑战性的，这也是其他很多人不能这样做的一个很大原因。

除了了解这些机械力如何影响其他细胞类型之外，Wang的研究团队还非常想知道：钙信号如何影响表观遗传学和基因组调控――最终纠正组织和器官的发展。

为此，该团队正在开发不同的传感器，可让他们显现组蛋白修饰和其他表观遗传标记。组蛋白的修饰，可以影响DNA的包装，并导致基因表达的模式。

单细胞操作，对于规避细胞群体表观遗传学研究中的噪音困扰，将尤为关键。Wang说：“如果你正在研究同一个细胞，你将会有更好的机会来正确提炼信息。”（转化医学网360zhyx.com）