新方法可預測干細胞分化過程

　　美國密歇根大學研究人員近日通過在新型細胞基質上培養成體干細胞的實驗，發現了一種可以預測干細胞是如何進行分化并形成何種組織的方法。研究成果刊登在8月1日的《自然―方法學》(Nature Method)上。　　　

　　相關儀器及方法：NSR2005i9步進式投影曝光裝置 Prometrix P-10表面輪廓儀 6320FV掃描電鏡 Samdri-PVT-3D臨界點干燥儀 XL20掃描電鏡 ABI 7300實時PCR系統 Axiovert 200M倒置顯微鏡 新型干細胞基質(支架)

　　完成人：克里斯托弗?陳課題組

　　實驗室：美國賓夕法尼亞大學生物工程系 密歇根大學生物工程系與機械工程系 臺灣成功大學醫學院骨關節研究中心

　　這是細胞培養實驗開始第二天的人體間葉細胞的干細胞免疫熒光圖。圖中，紅色部分為“微柱”，綠色部分為細胞，藍色部分為細胞核。這個細胞在后期分化為了骨細胞。(圖片提供：Michael T. Yang (University of Pennsylvania))

　　這是人體間葉細胞的干細胞掃描電鏡圖。該細胞被放置在長度為13微米的長“微柱”上生長。在細胞培養實驗第二天，細胞產生向心力，這可以從“微柱”的彎曲程度看出。這個細胞在后期分化為了脂肪細胞。(圖片提供：Jianping Fu (University of Michigan))

　　這是人體間葉細胞的干細胞被放置在短“微柱”上培養的掃描電鏡圖。細胞培養實驗第二天，這些細胞開始伸展，其伸展程度和施加在“微柱”上的力均大于在長“微柱”培養的細胞。這些細胞在后期分化為了骨細胞。(圖片提供：Jianping Fu (University of Michigan))

　　干細胞轉變為其他種類細胞的過程稱為細胞分化。而要想發展以干細胞為基礎的再生治療技術，關鍵在于充分了解細胞分化。

　　“我們首次證明了，在細胞分化起始階段，我們就能預測細胞下一步的分化過程。”Jianping Fu說。Fu是密歇根大學機械工程與生物醫學工程的助理教授，同時也是文章的第一作者。“通常情況下，要了解掌握干細胞分化的趨勢，需要數周甚至更長的時間。我們的研究成果則可以加速這一過程，這在藥物篩查和再生醫學方面有很大的應用前景。采用我們的方法，可以較早預測干細胞的分化，以及其在新藥治療中將轉變成何種細胞類型。”

　　在這項研究中，Fu和他的同事發現，干細胞對它們附著的基質會施加一定的力。這種力很有可能與細胞分化有關，但對其的研究還不及對化學觸發的研究那么廣泛。研究人員在文章中說，培養干細胞所用基質的剛性確實有助于測定干細胞會轉變成何種類型。

　　“經過研究，我們可以肯定地說，和化學因素一樣，力學因素在控制細胞分化方面起著同樣重要的作用”，Fu說，“而在這以前，干細胞生物學家在很大程度上忽略了這種力學因素”。

　　研究人員構建了一種新型的干細胞基質(支架)，其剛性可調節，而無需改變其化學成分，傳統的干細胞生長基質則無法做到這點。這種新型的基質支架看起來像是一種微型地毯，上面布滿了類似于頭發的突起物――“微柱”，由聚二甲基硅氧烷這種彈性聚合物制成，而聚二甲基硅氧烷是橡皮黏土的重要成分，Fu說。研究人員可以通過調節微柱的高度來調節這種基質的硬度。

　　工程師在實驗中對骨髓和其他連接組織(比如脂肪)進行提取，得到人體間葉細胞組成的干細胞。干細胞在堅硬的基質中生長，最后分化轉變成了骨細胞，而在較軟的基質中生長，則分化轉變成了脂肪。當研究人員通過這種基質的力學性能觀察到了細胞分化之后，他們決定在整個細胞培養過程對細胞的這種附著力進行跟蹤測定，看是否能預測到這些細胞的分化。

　　研究人員使用熒光顯微鏡測量微柱的彎曲程度，從而對細胞這種附著力進行定量分析。“我們的研究表明，如果干細胞要進行分化，那么它們的附著力會比那些沒有分化的干細胞要大許多，而干細胞分化成不同類型的細胞，其附著力也會有很大差異。”Fu表示，“我們證明了，可以通過觀察這種附著力的變化來提早預測干細胞分化。”

　　制成這種新基質的成型工藝成本很低，研究人員也表示，任何對此有興趣的科研人員都可以獲得這種成型工藝。“我們覺得，這種工藝為整個科研領域提供了一種新的、切實可行的方法。”Fu表示。