近日伊利諾大學的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新方法可使干細胞長期維持在中間狀態(tài),。研究論文發(fā)表在 PLoS One雜志上,。在論文中研究人員稱他們利用一種軟凝膠培養(yǎng)小鼠胚胎干細胞(mESCs)可使細胞長期維持在多能狀態(tài)。并且無需加入昂貴的生長因子,，這種軟基質能在很長一段時間內維持同質克隆的生長,。
“這一技術在未來的再生醫(yī)學中有著巨大的應用前景，”研究的共同負責人,、醫(yī)學科學和工程學教授王寧（音譯,，Ning Wang）說：“這是一個鼓舞人心的結果。我們的研究結果表明我們朝著揭示干細胞的基本生物學邁出了重要的一步,。”
第一排從左到右分別是：研究生 Farhan Chowdhury 和 Yanzhen Li ,，訪問學者Tamaki Yokohama-Tamaki; 第二排從左到右分別是, 研究生Yeh Chuin Poh; Tetsuya Tanaka教授 ; Ning Wang教授
在干細胞研究中將mESC維持在均一的多能狀態(tài)是一件非常困難的事情。多能干細胞可自發(fā)地分化,，轉變?yōu)閷ｉT化的組織類型例如皮膚或肌肉,。長期以來研究人員都是利用生長因子來維持mESCs的狀態(tài)不變，但是即便如此不久之后培養(yǎng)細胞還是會進入不同的分化階段,，呈現(xiàn)不同的基因表達和形態(tài),。樣品的多樣性使得研究人員很難開展實驗誘導干細胞培養(yǎng)生成特定類型的組織。
“我們的目標就是使同質的未分化細胞朝著我們感興趣的組織分化,，并且一直使這些細胞保持同質性,，”伊利諾大學基因組生物學研究所的動物科學教授Tanaka說：“只有如此，才能生成特定的細胞類型,，并最終實現(xiàn)多能干細胞的臨床應用,。”
在新研究中研究人員發(fā)現(xiàn)多能mESCs更傾向于粘附在一起形成圓形克隆，而克隆邊緣與堅硬的培養(yǎng)皿接觸的細胞則相對分化地更快一些,?；诖爽F(xiàn)象，研究人員決定將研究方向集中到mESC的機械學而非化學研究上,。進而研究人員發(fā)現(xiàn)相對于成熟的細胞干細胞要柔軟10倍,，于是研究人員開始質疑是否是培養(yǎng)皿和細胞間的機械力刺激了細胞分化。在早期的研究中王寧和Tanaka證實即使是很小的機械力也可直接影響細胞的分化,。那么是否可以利用機械學來抑制干細胞分化呢,？研究人員大膽地提出了假設。
研究小組將培養(yǎng)的mESCs細胞分成三個處理組進行平行試驗：第一組mESCs細胞的用常規(guī)的加入生長因子的培養(yǎng)基培養(yǎng),；研究人員將第二組細胞接種在與細胞同樣硬度的軟膠上培養(yǎng),，并加入生長因子；第三組的細胞同樣在軟膠上培養(yǎng),，但卻沒有加入生長因子,。研究人員發(fā)現(xiàn)在軟凝膠上培養(yǎng)的細胞表現(xiàn)出更強的同質性和多能性。甚至在缺乏因子因子的條件下,，培養(yǎng)三個月,，傳代20次后仍是如此,。
“世界上的事物都有兩面性。我們在發(fā)現(xiàn)機械力可以誘導干細胞分化后反其道行之,，證實降低基質與細胞的機械力可使細胞保持在多能狀態(tài),，”王寧說：“我們的研究證實機械環(huán)境具有與化學生長因子一樣重要的作用。在體內,，細胞只在一段短時間內分泌生長因子,。而另一方面，機械力則一直在影響著每個細胞,。”
在接下來的試驗中,，研究人員想嘗試用誘導多能干細胞(iPSCs)來進一步驗證他們的軟基質培養(yǎng)方法“我們將嘗試將小鼠iPSCs接種到同樣的軟基質中培養(yǎng)，看看是否能夠獲得同質的干細胞培養(yǎng)物,。這一實驗如果能取得成功,，其產(chǎn)生的影響將無疑是巨大的，”Tanaka說,。（生物谷Bioon.com）
生物谷推薦原文出處：
PLoS ONE doi:10.1371/journal.pone.0015655
Soft Substrates Promote Homogeneous Self-Renewal of Embryonic Stem Cells via Downregulating Cell-Matrix Tractions
Farhan Chowdhury1, Yanzhen Li2, Yeh-Chuin Poh1, Tamaki Yokohama-Tamaki2, Ning Wang1*, Tetsuya S. Tanaka2,3*
1 Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois, United States of America, 2 Department of Animal Sciences, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois, United States of America, 3 Institute for Genomic Biology, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois, United States of America
Abstract
Maintaining undifferentiated mouse embryonic stem cell (mESC) culture has been a major challenge as mESCs cultured in Leukemia Inhibitory Factor (LIF) conditions exhibit spontaneous differentiation, fluctuating expression of pluripotency genes, and genes of specialized cells. Here we show that, in sharp contrast to the mESCs seeded on the conventional rigid substrates, the mESCs cultured on the soft substrates that match the intrinsic stiffness of the mESCs and in the absence of exogenous LIF for 5 days, surprisingly still generated homogeneous undifferentiated colonies, maintained high levels of Oct3/4, Nanog, and Alkaline Phosphatase (AP) activities, and formed embryoid bodies and teratomas efficiently. A different line of mESCs, cultured on the soft substrates without exogenous LIF, maintained the capacity of generating homogeneous undifferentiated colonies with relatively high levels of Oct3/4 and AP activities, up to at least 15 passages, suggesting that this soft substrate approach applies to long term culture of different mESC lines. mESC colonies on these soft substrates without LIF generated low cell-matrix tractions and low stiffness. Both tractions and stiffness of the colonies increased with substrate stiffness, accompanied by downregulation of Oct3/4 expression. Our findings demonstrate that mESC self-renewal and pluripotency can be maintained homogeneously on soft substrates via the biophysical mechanism of facilitating generation of low cell-matrix tractions.
