研究發(fā)現(xiàn)，改變細(xì)胞體積會影響細(xì)胞的內(nèi)部動態(tài)，如外表面矩陣排列剛度等。對干細(xì)胞來說，去除水分，細(xì)胞皺縮，干細(xì)胞變?yōu)榻┯驳那肮羌?xì)胞。增加水分，細(xì)胞膨脹，干細(xì)胞變?yōu)槿彳浀那爸炯?xì)胞。

很早以前，人們就發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞會受周圍細(xì)胞影響，能根據(jù)周圍細(xì)胞基質(zhì)硬度來推斷自己的功能應(yīng)該是什么。

這項(xiàng)由MIT機(jī)械工程系d'Arbeloff助理教授Ming Guo博士和哈佛大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院Mallinckrodt物理和應(yīng)用物理學(xué)教授David Weitz博士領(lǐng)導(dǎo)的研究證實(shí)了天然環(huán)境對干細(xì)胞行為和發(fā)育過程起重要調(diào)節(jié)作用。

“為我們理解干細(xì)胞生物學(xué)對再生醫(yī)學(xué)的應(yīng)用增加了一個新工具，”共同作者、紐約州立大學(xué)水牛城分校口腔醫(yī)學(xué)學(xué)院、口腔生物學(xué)系助理教授Praveen Arany說。

“我們開始認(rèn)識到細(xì)胞體積和細(xì)胞水含量對其生理功能和機(jī)械性能的重要性，”郭博士說，他曾是Weitz博士的研究生。

骨頭和脂肪只有一線之隔

在細(xì)胞的一生中，體積變化不僅頻繁且受高度調(diào)節(jié)，生長時體積增加，分裂時體積減少。這項(xiàng)研究zui初是為了了解體積對細(xì)胞特性和功能的影響。

體積變化是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、DNA等物質(zhì)數(shù)量變化的結(jié)果，盡管大部分這些物質(zhì)都是保持不變的。通過吸收或釋放水，細(xì)胞明顯而快速地經(jīng)歷著膨大和縮小的變化。

減少或增加細(xì)胞20%含水量，研究人員發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞內(nèi)部也經(jīng)歷了一些變化，如基因表達(dá)和剛度等。

已知細(xì)胞剛度影響干細(xì)胞發(fā)育，研究人員開始懷疑細(xì)胞體積是否也會影響干細(xì)胞命運(yùn)。

為了測試這個猜測，研究人員首先把正常體積的干細(xì)胞放在硬化的水凝膠基質(zhì)上，一周后，大部分干細(xì)胞都發(fā)育成了前骨細(xì)胞（pre-bone cells）。

用軟化水凝膠基質(zhì)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，前骨細(xì)胞數(shù)量明顯下降。但是，當(dāng)研究人員把細(xì)胞含水量下調(diào)20%后，躺在軟化水凝膠基質(zhì)上的干細(xì)胞決定增加前骨細(xì)胞分化數(shù)量。

研究人員又使用更硬的玻璃作為干細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)，結(jié)果是極少有細(xì)胞發(fā)育成前脂肪細(xì)胞（pre-fat cells），通過提高20%含水量，細(xì)胞體積增大后，脂肪細(xì)胞的發(fā)育出現(xiàn)高漲。

“這是一個令人吃驚的觀察結(jié)果，細(xì)胞體積通過影響細(xì)胞內(nèi)部剛度，在很大程度上影響了細(xì)胞命運(yùn)，”Weitz說。對細(xì)胞命運(yùn)決定來說，人工模擬的實(shí)驗(yàn)條件與自然環(huán)境壓力應(yīng)該有類似的效果。“這一新發(fā)現(xiàn)可能會對生物技術(shù)應(yīng)用起重要作用。”

再生醫(yī)學(xué)

干細(xì)胞是再生醫(yī)學(xué)的前沿哨兵，為研究人員和臨床醫(yī)生提供了修復(fù)或替換受損組織的基本材料。由于它們具有特化為任意細(xì)胞的潛能，因此，具備治療全身上下各類組織器官疾病的潛力。例如，已被廣泛應(yīng)用的骨髓移植就是干細(xì)胞治療的一種形式。

了解干細(xì)胞分化的原因，將有助研究人員開發(fā)影響它們行為的各種方法，zui終新型治療手段。

根據(jù)目前研究現(xiàn)狀，已知的可影響干細(xì)胞分化的手段包括：細(xì)胞剛度、體積等物理信號，藥物、生物物理制劑等化學(xué)物質(zhì)，光、超聲和射頻等等。如今，“水含量”也成為了干細(xì)胞誘導(dǎo)分化的可用條件。