機械力如何影響干細胞分化？

　　采用一種獨特的工具箱，研究人員就能用珠子按摩細胞，以了解機械力如何影響干細胞分化。

　　間充質干細胞——是不斷更新我們的骨骼、軟骨和肌肉的成體干細胞，因為它們可大量生產各種各樣不同的愈合因子，因此被認為具有治療疾病的巨大潛力。大量的臨床試驗正在研究這些細胞，用于許多疾病（從糖尿病到脊髓損傷）的治療。

　　2006年，在Cell發表的一項研究發現，這些神秘細胞生長在何種表面，引導著它們朝向特定的命運。在堅硬表面生長的細胞，會變成骨細胞，而那些在柔軟表面培養的細胞，則會變成柔軟的細胞類型，如脂肪細胞。

　　加州大學圣地亞哥分校生物工程學副教授Yingxiao (Peter) Wang 說：“很明顯，這些間充質干細胞能感覺或探測力學環境。”他的研究團隊希望了解這究竟是如何發生的。

　　最近他們取得了一定的進展，在《eLife》雜志上發表的一項研究中，Wang和同事解釋了“推拉單個間充質干細胞的外部，如何可以影響其內部的鈣釋放動力學”。

　　哥倫比亞大學生物醫學工程和醫學教授Gordana Vunjak-Novakovic 沒有參與這項研究，但是他指出：“這篇論文真正巧妙的地方在于，它闡明了細胞行為一些完全未知的力學調控機制。”

　　我們體內的細胞可響應各種物理力量，如血液流動或運動，這并不新奇或令人吃驚。探索生物學的機械方面，對于各種疾病（如動脈粥樣硬化，哮喘，關節炎），是非常重要的。

　　Vunjak-Novakovic說：“研究人員對此有濃厚的興趣。困難在于，我們對細胞膜和細胞核內變化之間的物理作用的實際發生機制，還知之甚少。”

　　珠子與細胞相遇

　　要回答這個問題，需要單細胞操縱。Wang完善了一種技術組合——開發和利用F?rster共振能量轉移（FRET）為基礎的生物傳感器、光學鑷子以及RNA干擾。

　　在2014年，Wang的研究團隊在PLOS ONE發表的一項研究表明，通過拉伸間充質干細胞正在生長的凝膠基質，可以使單個間充質干細胞變形，從而觸發細胞內鈣振蕩。在這項新的研究中，Wang的研究團隊采用了基于FRET的鈣傳感器及其變體，靶定細胞內的特定細胞器，特別是內質網（ER）。ER負責細胞特有的鈣波動，反過來這對一系列功能（包括分化）很重要。

　　科學家將粘性的納米珠（直徑10米）附著在骨髓間充質干細胞的外面，用激光拉動納米珠，應用微量的機械力，Wang將其比喻為 “細胞按摩。”

　　生長在鈣缺乏培養基中的細胞，會響應“按摩”，從而表明鈣被ER釋放。令人驚訝的是，阻斷外膜中一個拉伸激活的鈣通道，可阻止細胞器的鈣釋放。

　　外膜上的一次拉動如何會引發內質網的鈣釋放，尚不清楚。研究小組使用另外的生物傳感器來區分兩種可能的機制：拉伸可激活導致內質網鈣釋放的生化信號通路，或者拉伸是改變ER通道的直接機械力。

　　該小組發現，后者是真的。特別是，ER的感知能力依賴于細胞骨架以及肌動球蛋白的收縮性。Wang說：“這對我們來說是非常令人興奮的。”

　　麻省理工學院生物和機械工程教授Roger Kamm沒有參與該研究，他說：“當你向細胞外部施加一個力時，你主要加壓的是外脂質雙分子層中的鈣敏感通道。這項研究表明，這個過程是比較復雜的。”

　　Kamm說，事實上，通過細胞骨架傳播的力量，可引起內質網鈣釋放，是人們一段時間以來的假設，但直到現在還沒有得到證明。

　　Wang的研究小組使用的這一技術，使我們能夠調查過程的動態——它是一個動態的過程。整合Wang所用的技術，是具有挑戰性的，這也是其他很多人不能這樣做的一個很大原因。

　　除了了解這些機械力如何影響其他細胞類型之外，Wang的研究團隊還非常想知道：鈣信號如何影響表觀遺傳學和基因組調控——最終糾正組織和器官的發展。

　　為此，該團隊正在開發不同的傳感器，可讓他們顯現組蛋白修飾和其他表觀遺傳標記。組蛋白的修飾，可以影響DNA的包裝，并導致基因表達的模式。

　　單細胞操作，對于規避細胞群體表觀遺傳學研究中的噪音困擾，將尤為關鍵。Wang說：“如果你正在研究同一個細胞，你將會有更好的機會來正確提煉信息。”