最近，哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）、Wyss生物啟發(fā)工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）的研究人員，開發(fā)出一種新的、更精確的方法，來控制干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化。這種新技術(shù)在骨骼的再生、生長和愈合方面，具有廣闊的應(yīng)用前景。這項研究由SEAS的Robert P. Pinkas教授帶領(lǐng)完成，發(fā)表在近期的《Nature Materials》。

一個細(xì)胞的微環(huán)境——組織內(nèi)圍繞和連接細(xì)胞的蛋白質(zhì)和聚合物網(wǎng)絡(luò)，影響一系列的細(xì)胞行為，包括干細(xì)胞分化。約十年，研究人員已經(jīng)能夠通過調(diào)整其微環(huán)境的剛度，來指導(dǎo)干細(xì)胞的命運。只調(diào)整細(xì)胞微環(huán)境（也被稱為細(xì)胞外基質(zhì)）的剛度，是假設(shè)環(huán)境表現(xiàn)得就像一個彈性材料，如橡膠。當(dāng)在一個彈性材料上施加壓力讓其變形時，彈性能量被儲存，當(dāng)變形釋放時，材料反彈到原來的形狀，就像一個橡膠帶。但是，在自然界中，細(xì)胞外基質(zhì)不是彈性的，它們是粘彈性的。粘彈性的材料，如口香糖，當(dāng)作用一個壓力時，隨著時間的推移會放松應(yīng)力和消散能量。

Mooney和他的團隊決定通過開發(fā)具有不同應(yīng)力松弛反應(yīng)的水凝膠，來模擬活體組織的粘彈性。當(dāng)他們將干細(xì)胞放在這個粘彈性的微環(huán)境中，并調(diào)整凝膠放松的速度后，他們觀察到，細(xì)胞的行為和分化發(fā)生了劇烈變化。

本文共同第一作者、Mooney實驗室博士后Luo Gu指出：“我們發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力的增加，特別是結(jié)合水凝膠的剛度增加，成骨細(xì)胞的分化增加。隨著應(yīng)力松弛，干細(xì)胞到脂肪細(xì)胞的分化減少。這是我們第一次在三維中觀察到，基質(zhì)應(yīng)力松弛對干細(xì)胞分化有何影響。”

增加應(yīng)力松弛不僅顯著增加了早期成骨細(xì)胞的分化，而且在這些細(xì)胞最初分化后，它們繼續(xù)生長成骨細(xì)胞，并形成一個相互關(guān)聯(lián)、富含膠原蛋白的礦化基質(zhì)，這是骨骼的骨結(jié)構(gòu)特征。Mooney表示：“這項工作不僅對再生生物學(xué)提供了新的見解，而且允許我們設(shè)計某種材料，積極地促進組織再生?！?/p>

本文共同第一作者、Mooney實驗室以前的博士后Ovijit Chaudhuri表示，快速松弛的微環(huán)境可促進更多的骨生成，并形成骨骼，原因在于這些模型可能機械地重建基質(zhì)，更容易改變形狀。

Chaudhuri說：“想象一下，你被困在一塊橡膠中。每一次移動都受到橡膠彈性的對抗。但如果不是橡膠，而是被困在橡皮泥中，它的松弛應(yīng)力很快，是可塑的，你就可以重塑膩子并左右移動。在我們的實驗中，我們發(fā)現(xiàn)，更快的應(yīng)力松弛可允許顯著不同的細(xì)胞形態(tài)?！?/p>

這似乎違反了“骨細(xì)胞需要快速松弛的環(huán)境以生長為骨骼”的直覺，因為骨骼是非常堅硬和彈性的。然而，研究小組觀察到，骨折周圍的微環(huán)境，與研究小組在實驗室開發(fā)的快速松弛水凝膠，是非常相似的。

Gu說：“凝固的骨髓和骨折血腫，是粘彈性的，并且有快速應(yīng)力松弛的表現(xiàn)。這可能是一個跡象表明，在自然環(huán)境中，當(dāng)骨折愈合時，它需要一個非?？斓膽?yīng)力松弛基質(zhì)，以協(xié)助骨形成?！?/p>

研究的下一階段是，在體內(nèi)測試快速松弛的水凝膠，以探究它們是否促進骨愈合。Mooney說：“這項工作將一個新的概念引入到力生物學(xué)和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，除此之外，我希望它將帶來大量新的研究思路，研究其他一些材料力學(xué)性能如何影響細(xì)胞的行為?！?/p>