干细胞中的水量可以决定其作为脂肪或骨骼的命运

研究人员在昨天发表在“ 美国国家科学院院刊”(PNAS)上的一项新研究中发现，添加或去除干细胞中的水可以改变细胞的命运。研究发现，改变细胞的体积改变了其内部动力学，包括衬在外表面的基质的刚性。在干细胞中，去除水会凝结细胞，影响干细胞成为僵硬的骨前细胞，而加水会导致细胞膨胀，形成柔软的前脂肪细胞。研究人员长期以来一直认为干细胞会受到周围细胞的影响，并根据相邻细胞基质的刚度来确定它们的功能。

然而，结果证实，自然在干细胞行为和发育中发挥着与培育相同的作用。“这项研究的结果添加一个引人入胜的新工具，我们的理解和利用干细胞生物学的再生医学，”普利文阿兰尼，DDS，博士，合着者，助理教授在口腔生物学在布法罗大学部说牙科医学院。

该研究由麻省理工学院机械工程系助理教授Ming Guo博士领导。和哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院物理与应用物理学教授David Weitz博士。“我们第一次开始了解细胞体积和细胞水含量对细胞机械特性和生理功能的重要性，”郭说，他是哈佛大学Weitz实验室的研究生。

骨与脂肪之间的界限

该研究最初试图了解体积对细胞特征和功能的影响。细胞体积受到高度调节，并且在细胞生命过程中经常变化，随细胞生长而增加，并在细胞分裂时减少。

这些体积变化是细胞内蛋白质，DNA和其他物质含量变化的结果，尽管它们大多数保持不变。但细胞通过吸收或释放水，在短短20分钟内扩散或收缩，也可以体验到大小和密度的快速和极端变化。

通过将细胞体积增加或减少20%，研究人员发现细胞经历了几次内部变化，包括基因表达和僵硬。

了解细胞刚度在干细胞发育中所起的作用，研究人员开始怀疑细胞体积是否也会影响它们的命运。

为了测试这一前提，研究人员将干细胞置于其硬化水凝胶基质中的正常体积，以模拟骨细胞的刚性。一周后，大部分干细胞发育成前骨细胞。

用软化的水凝胶基质重复该实验。在较软的环境中，成为骨前细胞的干细胞数量显着减少。然而，当从细胞中除去水以使其体积减少20%时，尽管在较软的底物中，成为骨前细胞的干细胞的数量增加。

使用玻璃进行类似的实验。研究人员将干细胞放在玻璃上以模拟更硬的环境，发现很少有细胞发育成前脂肪细胞。直到干细胞体积增加20%才发现脂肪细胞形成的峰值。

研究人员发现，改变细胞的体积会使它们表现得像环境压力一样。“这些实验令人惊讶的是观察到体积似乎与细胞有很大关系。它似乎决定细胞的僵硬度和细胞命运，”Weitz说，他也是Wyss研究所的核心教员。为生物启发工程和哈佛大学材料研究科学与工程中心主任。“这些观察结果也可能对监测细胞命运的外部手段产生影响，这对未来的生物技术应用可能很重要。”

未来的研究需要检查不同体积变化的影响，以及细胞体积或外部线索是否是干细胞命运的主要因素。

再生医学的未来

干细胞处于再生医学的最前沿，为研究人员和临床医生提供修复或替换受损组织和器官的潜力。

由于能够发育成任何类型的特化细胞 - 从肌细胞到红细胞或脑细胞 - 干细胞具有治疗各种疾病和病症的潜力，从心脏病到牙齿脱落。骨髓移植是干细胞疗法的一种形式，已经广泛使用。

干细胞还可以帮助药物开发以及对癌症和出生缺陷如何发生的理解。

了解导致这些细胞分化的因素将有助于研究人员产生影响其行为的方法，并最终开发出新的疗法。

除了细胞硬度或体积等物理线索外，干细胞分化还可能受到许多生物因素，药物或生物物理因素的影响，如光，超声波和射频。

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