最近，哈佛大學(xué)JohnA.Paulson工程與應用科學(xué)學(xué)院（SEAS）、Wyss生物啟發(fā)工程研究所（WyssInstituteforBiologicallyInspiredEngineering）的研究人員，開(kāi)發(fā)出一種新的、更精確的方法，來(lái)控制干細胞向成骨細胞的分化。這種新技術(shù)在骨骼的再生、生長(cháng)和愈合方面，具有廣闊的應用前景。這項研究由SEAS的RobertP.Pinkas教授帶領(lǐng)完成，發(fā)表在近期的《NatureMaterials》。

　　一個(gè)細胞的微環(huán)境——組織內圍繞和連接細胞的蛋白質(zhì)和聚合物網(wǎng)絡(luò )，影響一系列的細胞行為，包括干細胞分化。約十年，研究人員已經(jīng)能夠通過(guò)調整其微環(huán)境的剛度，來(lái)指導干細胞的命運。

　　只調整細胞微環(huán)境（也被稱(chēng)為細胞外基質(zhì)）的剛度，是假設環(huán)境表現得就像一個(gè)彈性材料，如橡膠。當在一個(gè)彈性材料上施加壓力讓其變形時(shí)，彈性能量被儲存，當變形釋放時(shí)，材料反彈到原來(lái)的形狀，就像一個(gè)橡膠帶。但是，在自然界中，細胞外基質(zhì)不是彈性的，它們是粘彈性的。粘彈性的材料，如口香糖，當作用一個(gè)壓力時(shí)，隨著(zhù)時(shí)間的推移會(huì )放松應力和消散能量。

　　Mooney和他的團隊決定通過(guò)開(kāi)發(fā)具有不同應力松弛反應的水凝膠，來(lái)模擬活體組織的粘彈性。當他們將干細胞放在這個(gè)粘彈性的微環(huán)境中，并調整凝膠放松的速度后，他們觀(guān)察到，細胞的行為和分化發(fā)生了劇烈變化。

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

　　增加應力松弛不僅顯著(zhù)增加了早期成骨細胞的分化，而且在這些細胞最初分化后，它們繼續生長(cháng)成骨細胞，并形成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)、富含膠原蛋白的礦化基質(zhì)，這是骨骼的骨結構特征。Mooney表示：“這項工作不僅對再生生物學(xué)提供了新的見(jiàn)解，而且允許我們設計某種材料，積極地促進(jìn)組織再生。”

　　本文共同第一作者、Mooney實(shí)驗室以前的博士后OvijitChaudhuri表示，快速松弛的微環(huán)境可促進(jìn)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(shuō)：“想象一下，你被困在一塊橡膠中。每一次移動(dòng)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，它的松弛應力很快，是可塑的，你就可以重塑膩子并左右移動(dòng)。在我們的實(shí)驗中，我們發(fā)現，更快的應力松弛可允許顯著(zhù)不同的細胞形態(tài)。”

　　這似乎違反了“骨細胞需要快速松弛的環(huán)境以生長(cháng)為骨骼”的直覺(jué)，因為骨骼是非常堅硬和彈性的。然而，研究小組觀(guān)察到，骨折周?chē)奈h(huán)境，與研究小組在實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的快速松弛水凝膠，是非常相似的。

　　Gu說(shuō)：“凝固的骨髓和骨折血腫，是粘彈性的，并且有快速應力松弛的表現。這可能是一個(gè)跡象表明，在自然環(huán)境中，當骨折愈合時(shí)，它需要一個(gè)非?？斓膽λ沙诨|(zhì)，以協(xié)助骨形成。”

　　研究的下一階段是，在體內測試快速松弛的水凝膠，以探究它們是否促進(jìn)骨愈合。

　　Mooney說(shuō)：“這項工作將一個(gè)新的概念引入到力生物學(xué)和再生醫學(xué)領(lǐng)域，除此之外，我希望它將帶來(lái)大量新的研究思路，研究其他一些材料力學(xué)性能如何影響細胞的行為。”