最近，哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）、Wyss生物啟發(fā)工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）的研究人員，開發(fā)出一種新的、更精確的方法，來(lái)控制干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化。這種新技術(shù)在骨骼的再生、生長(zhǎng)和愈合方面，具有廣闊的應(yīng)用前景。這項(xiàng)研究由SEAS的Robert P. Pinkas教授帶領(lǐng)完成，發(fā)表在近期的《Nature Materials》。

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

只調(diào)整細(xì)胞微環(huán)境（也被稱為細(xì)胞外基質(zhì)）的剛度，是假設(shè)環(huán)境表現(xiàn)得就像一個(gè)彈性材料，如橡膠。當(dāng)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(chǔ)存，當(dāng)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(xì)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(dāng)作用一個(gè)壓力時(shí)，隨著時(shí)間的推移會(huì)放松應(yīng)力和消散能量。

Mooney和他的團(tuán)隊(duì)決定通過(guò)開發(fā)具有不同應(yīng)力松弛反應(yīng)的水凝膠，來(lái)模擬活體組織的粘彈性。當(dāng)他們將干細(xì)胞放在這個(gè)粘彈性的微環(huán)境中，并調(diào)整凝膠放松的速度后，他們觀察到，細(xì)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(yàn)室博士后Luo Gu指出：“我們發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力的增加，特別是結(jié)合水凝膠的剛度增加，成骨細(xì)胞的分化增加。隨著應(yīng)力松弛，干細(xì)胞到脂肪細(xì)胞的分化減少。這是我們第一次在三維中觀察到，基質(zhì)應(yīng)力松弛對(duì)干細(xì)胞分化有何影響。”

增加應(yīng)力松弛不僅顯著增加了早期成骨細(xì)胞的分化，而且在這些細(xì)胞最初分化后，它們繼續(xù)生長(zhǎng)成骨細(xì)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(jié)構(gòu)特征。

Mooney表示：“這項(xiàng)工作不僅對(duì)再生生物學(xué)提供了新的見解，而且允許我們?cè)O(shè)計(jì)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(yàn)室以前的博士后Ovijit Chaudhuri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(jī)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(duì)抗。但如果不是橡膠，而是被困在橡皮泥中，它的松弛應(yīng)力很快，是可塑的，你就可以重塑膩?zhàn)硬⒆笥乙苿?dòng)。在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)，更快的應(yīng)力松弛可允許顯著不同的細(xì)胞形態(tài)。”

這似乎違反了“骨細(xì)胞需要快速松弛的環(huán)境以生長(zhǎng)為骨骼”的直覺，因?yàn)楣趋朗欠浅?jiān)硬和彈性的。然而，研究小組觀察到，骨折周圍的微環(huán)境，與研究小組在實(shí)驗(yàn)室開發(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(yīng)力松弛的表現(xiàn)。這可能是一個(gè)跡象表明，在自然環(huán)境中，當(dāng)骨折愈合時(shí)，它需要一個(gè)非?？斓膽?yīng)力松弛基質(zhì)，以協(xié)助骨形成。”

研究的下一階段是，在體內(nèi)測(cè)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(xiàng)工作將一個(gè)新的概念引入到力生物學(xué)和再生醫(yī)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(xì)胞的行為。”