血管間充質(zhì)細(xì)胞(vascular mesenchymal cell)利用左右不對稱(left-right asymmetry)形成模式結(jié)構(gòu),。
如果我們能夠利用病人自己的干細(xì)胞重建肝臟或腎臟將會(huì)怎么樣,？如何有助于再生因諸如骨質(zhì)疏松癥和關(guān)節(jié)炎之類的疾病而受損的組織,？來自美國加州大學(xué)舊金山的一項(xiàng)新研究讓科學(xué)家們更好地理解組織在體內(nèi)如何形成和組裝,，從而朝人工組織再生的最終目標(biāo)走近了一步,。
來自加州大學(xué)舊金山的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)當(dāng)遷移中的細(xì)胞所在的環(huán)境發(fā)生變化時(shí),，它們偏好轉(zhuǎn)向右方,。研究人員然后能夠在組織水平上利用細(xì)胞的這一偏好重建這種左右不對稱,。這種不對稱在創(chuàng)建諸如大腦和手之類的結(jié)構(gòu)的左邊和右邊之間的差別起著重要作用,。2012年2月17日，這些研究結(jié)果發(fā)表在Circulation Research期刊上,。
通訊作者Linda L. Demer教授說,，“我們的發(fā)現(xiàn)提示著組織工程的一種機(jī)制和設(shè)計(jì)原則。組織和器官不只是細(xì)胞的集合體,，而是需要精心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以便正常地發(fā)揮功能,。我們的發(fā)現(xiàn)有助于解釋細(xì)胞如何辨別方向和產(chǎn)生一種高度特異性的左右不對稱，而這是組織和器官構(gòu)建的一個(gè)重要的基礎(chǔ),。”
利用微電子技術(shù),，研究小組設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)出一種培養(yǎng)表面，而且該表面是由交替排列的細(xì)胞粘附性或排斥性蛋白基質(zhì)(protein substrate)組成的,，就好比于地板是由交替排列的地毯和瓷磚狹窄橫條紋組成的,。當(dāng)細(xì)胞在體內(nèi)運(yùn)行時(shí)，它們就可能遇到這些表面變化,。
研究人員觀察到當(dāng)遷移中的細(xì)胞跨過“地毯(carpet)”和“瓷磚(tile)”條紋之間的界面時(shí),，它們顯著地產(chǎn)生一種向右旋轉(zhuǎn)20度的傾向，從而在整個(gè)表面上產(chǎn)生斜條紋,。
第一作者Ting-Hsuan Chen說,，“我們一直關(guān)注血管細(xì)胞(vascular cell)在培養(yǎng)時(shí)自發(fā)性地形成的組織結(jié)構(gòu)并想研究這種過程。我們不知道這種基質(zhì)將觸發(fā)我們在細(xì)胞中觀察到的這種左右不對稱,。這完全出乎我們的意料之外,。”
“我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)胞遇到培養(yǎng)表面發(fā)生的機(jī)械變化時(shí)，它們能夠?qū)⒂遗c左區(qū)分開來并進(jìn)行自我組裝,。這為科學(xué)家如何用細(xì)胞的語言同它們交流和如何開始指導(dǎo)它們產(chǎn)生組織類似的結(jié)構(gòu)提供啟示,。”
研究人員認(rèn)為，這些細(xì)胞能夠感知在它們下面的基質(zhì),，而這影響它們遷移的方向和它們在體內(nèi)形成的結(jié)構(gòu)形狀,。研究人員說，最有意思的是這些細(xì)胞對橫條紋產(chǎn)生反應(yīng),，從而自我重組裝形成斜條紋,。
研究小組希望利用這種現(xiàn)象使用基質(zhì)界面與細(xì)胞進(jìn)行交流并指導(dǎo)它們產(chǎn)生所需的用作替換的組織結(jié)構(gòu),。研究人員說，通過調(diào)整基質(zhì),，他們就可能指導(dǎo)這些細(xì)胞產(chǎn)生什么樣的結(jié)構(gòu)和形成什么樣的組織,。
這項(xiàng)研究的下一步將是控制和指導(dǎo)細(xì)胞自我組裝成研究人員挑選的二維甚至三維的模式結(jié)構(gòu)。
研究小組發(fā)現(xiàn),，這是第一次證實(shí)基質(zhì)上發(fā)生變化能夠觸發(fā)細(xì)胞偏好向右或向左轉(zhuǎn),。它也是第一次顯示細(xì)胞能夠利用這種左右不對稱產(chǎn)生類似于組織結(jié)構(gòu)的平行斜條紋模式結(jié)構(gòu)。
Demer說,，“這項(xiàng)研究可能有助于未來利用病人自己的干細(xì)胞構(gòu)建器官,。考慮到用于移植的捐贈(zèng)器官供應(yīng)有限和存在免疫排斥的問題,，這特別重要,。” (生物谷：towersimper編譯)
doi:10.1161/CIRCRESAHA.111.255927
PMC:
PMID:
Left-Right Symmetry Breaking in Tissue Morphogenesis via Cytoskeletal Mechanics
Ting-Hsuan Chen, Jeffrey J. Hsu, Xin Zhao, Chunyan Guo, Margaret N. Wong, Yi Huang, Zongwei Li, Alan Garfinkel, Chih-Ming Ho, Yin Tintut, Linda L. Demer
Rationale: Left-right (LR) asymmetry is ubiquitous in animal development. Cytoskeletal chirality was recently reported to specify LR asymmetry in embryogenesis, suggesting that LR asymmetry in tissue morphogenesis is coordinated by single- or multi-cell organizers. Thus, to organize LR asymmetry at multiscale levels of morphogenesis, cells with chirality must also be present in adequate numbers. However, observation of LR asymmetry is rarely reported in cultured cells.
Objectives: Using cultured vascular mesenchymal cells, we tested whether LR asymmetry occurs at the single cell level and in self-organized multicellular structures.
Methods and Results: Using micropatterning, immunofluorescence revealed that adult vascular cells polarized rightward and accumulated stress fibers at an unbiased mechanical interface between adhesive and nonadhesive substrates. Green fluorescent protein transfection revealed that the cells each turned rightward at the interface, aligning into a coherent orientation at 20° relative to the interface axis at confluence. During the subsequent aggregation stage, time-lapse videomicroscopy showed that cells migrated along the same 20° angle into neighboring aggregates, resulting in a macroscale structure with LR asymmetry as parallel, diagonal stripes evenly spaced throughout the culture. Removal of substrate interface by shadow mask-plating, or inhibition of Rho kinase or nonmuscle myosin attenuated stress fiber accumulation and abrogated LR asymmetry of both single-cell polarity and multicellular coherence, suggesting that the interface triggers asymmetry via cytoskeletal mechanics. Examination of other cell types suggests that LR asymmetry is cell-type specific.
Conclusions: Our results show that adult stem cells retain inherent LR asymmetry that elicits de novo macroscale tissue morphogenesis, indicating that mechanical induction is required for cellular LR specification.
