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只有科学家们更加深入地认识干细胞如何分化为体内多种不同类型的细胞 , 再生医学才有希望变成现实 . 不过 , 临床应用一直很难取得实质性突破 , 这部分上是因为科学家们很难复制这些干细胞在体内经历的环境条件.
在此之前的大多数研究都是关于如何在二维基质(two-dimensional substrate)上培养干细胞,但是只有相对较少的研究是在三维环境中开展的.在大多数情形下,三维环境或者说基质都被干细胞视为简单的支架(scaffolding),而不是影响它们发育的信号.
在一项新的研究中,宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院生物工程系副教授Jason Burdick、教授Christopher Chen、研究生Sudhir Khetan和同事们对这些三维基质如何影响力学信号传导—干细胞如何获得关于它的物理环境的信息,并将这些信息转化为化学信号—感兴趣.从中,他们深入认识了一个干细胞所处的环境如何影响它变成哪种类型的细胞.他们证实人间充质干细胞是否分化为脂肪脂肪或骨细胞部分上取决于它们如何好地抓住用来培养它们的基质材料.相关研究结果于2013年3月24日在线发表在Nature Materials期刊上,论文标题为"Degradation-mediated cellular traction directs stem cell fate in covalently crosslinked three-dimensional hydrogels".
用于这项研究中的骨髓间充质干细胞能够分化为几种类型的细胞：成骨细胞,存在于在骨组织中；软骨细胞,存在于软骨中；脂肪细胞,存在于脂肪组织中.
在这项研究中,研究人员利用一种被称作凝胶的水溶胀聚合物网络(water-swollen polymer network)来培养来自人骨髓的间充质干细胞.这种凝胶与这些干细胞自然生长时的环境具有一些相似性,通常比较柔远和灵活,但是依据于聚合物之间所形成的化学键性质和数量,它在密度和硬度上则是可变的.就这项研究而言,他们使用共价交联的凝胶,因而含有不可逆转的化学键.
当接种在二维共价交联凝胶的顶部上时,依据于凝胶材料的硬度,间充质干细胞在它的表面上差异性地扩散和牵引.更加柔软的凝胶将导致间充质干细胞产生更多的脂肪细胞样细胞(fat-like cell),而更加坚硬的凝胶将产生更多的骨细胞样细胞.(bone-like cell).
然而,当研究人员将这些间充质干细胞放置在不同硬度的三维凝胶内部时,他们并没有观察到这些变化.这是因为在大多数共价交联凝胶中,这些干细胞因不能破坏掉这些共价键而不能扩散到基质中,因而它们全部变成脂肪细胞.这就意味着,在三维共价交联凝胶中,这些干细胞不能像它们在二维共价交联凝胶中那样将材料力学信息转化为化学信号.
为了测试这点,研究人员改变他们制造的三维共价交联凝胶的化学性质：利用一种肽将共聚物分子链连接在一起,不过这些干细胞能够降解这些连接.他们猜测,当这些干细胞在这样的三维凝胶中扩散时,它们将能够更好地抓住它们的周围环境,因而更可能变成骨细胞样细胞.
为了确定这些干细胞如何抓住它们的环境,研究人员使用一种被称作三维牵引力显微术(3D traction force microscopy)的技术.这种技术涉及将这种凝胶与微小珠子(microscopic bead)接种在一起,然后就可以追踪这些干细胞被移除之前和之后的位置.
研究结果证实这些干细胞因能够更好地锚定在它们的生长环境中从而分化为骨细胞样细胞.但在最初利用二维凝胶开展的实验中,研究人员观察到这些干细胞并没有紧紧地抓住凝胶,它们只是附着在上面,具有生命力,但是并没有让珠子移动.不过当将这些干细胞放置在化学键能够被降解的三维凝胶中时,他们观察到它们扩散到基质中,并让这种基质变形,从而让珠子移动.
当进一步测试时,研究人员合成出另一种凝胶.这种凝胶同样也具有这些干细胞能够降解的化学键因而能够从中穿过,而且它还有另一种在光线照射下能够形成的化学键.他们先让这些干细胞扩散直到它们开始分化(将它们植入凝胶后大约一周的时间),接着利用光线照射这种凝胶,从而形成新的这些干细胞不能降解的化学键.
Burdick说,"当我们引入这些它们不再能够降解的交联键时,我们观察到它们更多地分化为脂肪细胞样细胞,即便是让它们进行扩散之后,也是如此.这就进一步支持这个观点：持续降解是这些干细胞检测它们所处环境的材料性质并将这些性质转化为分化信号所必需的."
Burdick和他的同事们认为这些结果有助于人们更好地理解如何利用干细胞制造出工程组织.Burdick说,"这是一种证实微环境如何能够影响这些干细胞命运的模式系统."（来源：生物谷Bioon.com）
