细胞力学——新方法可预测干细胞分化过程

sunsong7

[转载]《自然—方法学》：新方法可预测干细胞分化过程
1 K9 ]* w8 j( r) f9 k2 B: I5 ZFriday, 20 August 2010 10:36 Chunyang Xiong     http://lab.sciencenet.cn/htmllab/20108416381395106.shtm 2 f+ ~2 B! q. B

+ V& t) O- {0 L美国密歇根大学研究人员近日通过在新型细胞基质上培养成体干细胞的实验，发现了一种可以预测干细胞是如何进行分化并形成何种组织的方法。研究成果刊登在8月1日的《自然—方法学》（Nature Method）上。8 }  D! x& n! f+ f- l
干细胞转变为其他种类细胞的过程称为细胞分化。而要想发展以干细胞为基础的再生治疗技术，关键在于充分了解细胞分化。, d' D7 r3 [' Q" D
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“我们首次证明了，在细胞分化起始阶段，我们就能预测细胞下一步的分化过程。”Jianping Fu说。Fu是密歇根大学机械工程与生物医学工程的助理教授，同时也是文章的第一作者。“通常情况下，要了解掌握干细胞分化的趋势，需要数周甚至更长的时间。我们的研究成果则可以加速这一过程，这在药物筛查和再生医学方面有很大的应用前景。采用我们的方法，可以较早预测干细胞的分化，以及其在新药治疗中将转变成何种细胞类型。”
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在这项研究中，Fu和他的同事发现，干细胞对它们附着的基质会施加一定的力。这种力很有可能与细胞分化有关，但对其的研究还不及对化学触发的研究那么广泛。研究人员在文章中说，培养干细胞所用基质的刚性确实有助于测定干细胞会转变成何种类型。, ?1 W, z; p$ d! w8 |1 R/ _

' R7 Y  ?5 Y1 w- W/ s“经过研究，我们可以肯定地说，和化学因素一样，力学因素在控制细胞分化方面起着同样重要的作用”，Fu说，“而在这以前，干细胞生物学家在很大程度上忽略了这种力学因素”。  x9 {+ O& @- J' w

5 |$ Q/ Y- k( C7 \2 J, g研究人员构建了一种新型的干细胞基质（支架），其刚性可调节，而无需改变其化学成分，传统的干细胞生长基质则无法做到这点。这种新型的基质支架看起来像是一种微型地毯，上面布满了类似于头发的突起物——“微柱”，由聚二甲基硅氧烷这种弹性聚合物制成，而聚二甲基硅氧烷是橡皮黏土的重要成分，Fu说。研究人员可以通过调节微柱的高度来调节这种基质的硬度。; t) T: i. L/ j% T4 p. E
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工程师在实验中对骨髓和其他连接组织（比如脂肪）进行提取，得到人体间叶细胞组成的干细胞。干细胞在坚硬的基质中生长，最后分化转变成了骨细胞，而在较软的基质中生长，则分化转变成了脂肪。当研究人员通过这种基质的力学性能观察到了细胞分化之后，他们决定在整个细胞培养过程对细胞的这种附着力进行跟踪测定，看是否能预测到这些细胞的分化。
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研究人员使用荧光显微镜测量微柱的弯曲程度，从而对细胞这种附着力进行定量分析。“我们的研究表明，如果干细胞要进行分化，那么它们的附着力会比那些没有分化的干细胞要大许多，而干细胞分化成不同类型的细胞，其附着力也会有很大差异。”Fu表示，“我们证明了，可以通过观察这种附着力的变化来提早预测干细胞分化。”
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制成这种新基质的成型工艺成本很低，研究人员也表示，任何对此有兴趣的科研人员都可以获得这种成型工艺。“我们觉得，这种工艺为整个科研领域提供了一种新的、切实可行的方法。”Fu表示。（科学网 张笑/编译）
: ~+ j( N5 Z; K% t0 F+ B相关仪器及方法：NSR2005i9步进式投影曝光装置  Prometrix P-10表面轮廓仪  6320FV扫描电镜  Samdri-PVT-3D临界点干燥仪  XL20扫描电镜  ABI 7300实时PCR系统  Axiovert 200M倒置显微镜  新型干细胞基质（支架）4 i# f" h: |: ^6 t! ]% _

7 R# K: V/ P; ~4 M$ D  j+ a完成人：克里斯托弗·陈课题组0 g0 D' n' i9 E: a& ^4 v
实验室：美国宾夕法尼亚大学生物工程系 密歇根大学生物工程系与机械工程系 台湾成功大学医学院骨关节研究中心4 O3 r+ C4 p! U+ q- L9 p
; z: p5 u. I" Q' C
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sunsong7

6 g" ]" I, \/ R$ m

! N9 K7 a' k- O. u1 I* w补发图片：“新方法可预测干细胞分化过程”, G# X1 R/ `- \  q- ]4 @
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8 t6 X. W# V& y, K4 B* h3 z    这是细胞培养实验开始第二天的人体间叶细胞的干细胞免疫荧光图。图中，红色部分为“微柱”，绿色部分为细胞，蓝色部分为细胞核。这个细胞在后期分化为了骨细胞。（图片提供：Michael T. Yang (University of Pennsylvania)）
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, p3 ?% |2 Q0 s; P6 |6 g4 h. _: f    这是人体间叶细胞的干细胞扫描电镜图。该细胞被放置在长度为13微米的长“微柱”上生长。在细胞培养实验第二天，细胞产生向心力，这可以从“微柱”的弯曲程度看出。这个细胞在后期分化为了脂肪细胞。（图片提供：Jianping Fu (University of Michigan)）
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    这是人体间叶细胞的干细胞被放置在短“微柱”上培养的扫描电镜图。细胞培养实验第二天，这些细胞开始伸展，其伸展程度和施加在“微柱”上的力均大于在长“微柱”培养的细胞。这些细胞在后期分化为了骨细胞。（图片提供：Jianping Fu (University of Michigan)）  ' d) j  X7 I8 ]5 M

& M; ~" ?$ P" |/ V" [Micromolded elastomeric micropost arrays to engineer substrate rigidity.close
+ i0 ~' k& b3 \# D5 O+ n- J(a) Graphical depiction of finite-element method (FEM) analysis of microposts of heights (L) each bending in response to applied horizontal traction force (F) of 20 nN. (b) Micropost deflection δ is plotted as a function of F, as calculated by FEM an…9 y- K+ c: e2 J) i2 L+ M
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, t9 s( \0 E9 l Quantitative analysis of cell morphology, focal adhesions (FAs) and traction force during rigidity sensing$ q% u7 \; Z. K4 l5 j
(a) Distributions of cell area for hMSCs plated on micropost arrays of different rigidities (high rigidity: L = 0.97 μm, K = 1,556 nN μm−1; medium rigiditiy: L = 6.1 μm, K = 18.16 nN μm−1; low rigidity: L = 12.9 μm, K = 1.90 nN μm−1). Gaussian functi…

manybit

非常全的资料，我想力学刺激有这么神奇吗？

sunsong7

圆形克隆（round colonies），也可以称作 spheroid formation，见附件

end90427

請問大大6 S% |+ e# f; h) s% ?/ _
您所說的圓形克隆
7 Q& i- Y# X, P7 [& L指的是spheroid formation嗎?1 `2 w) U% s8 \' L

end90427

請問大大
5 M* |/ k% g/ x" i* Y: P& ~9 e您所說的圓形克隆8 G9 {5 T$ s5 R* |- j' ~" O
指的是spheroid formation嗎?4 \" c' K  J$ t0 Z, n

jhu132llh

好，极好资料, F( @' o) `& L, ]* i6 U3 N/ t
辛苦整理了

sunsong7

PLoS ONE：降低基质与细胞的机械力可使干细胞保持在多能状态
& }& \5 q: z" Q, U: B2 ^Monday, 27 December 2010 22:28 Chunyang Xiong    http://www.bioon.com/biology/cell/468431.shtml
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& u& F$ O2 `. ?( p& J8 T近日伊利诺大学的研究人员发现了一种新方法可使干细胞长期维持在中间状态。研究论文发表在 PLoS One杂志上。在论文中研究人员称他们利用一种软凝胶培养小鼠胚胎干细胞(mESCs)可使细胞长期维持在多能状态。并且无需加入昂贵的生长因子，这种软基质能在很长一段时间内维持同质克隆的生长。; i) L7 R. A* P9 ?2 z& l+ B
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“这一技术在未来的再生医学中有着巨大的应用前景，”研究的共同负责人、医学科学和工程学教授王宁（音译，Ning Wang）说：“这是一个鼓舞人心的结果。我们的研究结果表明我们朝着揭示干细胞的基本生物学迈出了重要的一步。”
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' U/ @2 p& k+ y在干细胞研究中将mESC维持在均一的多能状态是一件非常困难的事情。多能干细胞可自发地分化，转变为专门化的组织类型例如皮肤或肌肉。长期以来研究人员都是利用生长因子来维持mESCs的状态不变，但是即便如此不久之后培养细胞还是会进入不同的分化阶段，呈现不同的基因表达和形态。样品的多样性使得研究人员很难开展实验诱导干细胞培养生成特定类型的组织。
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“我们的目标就是使同质的未分化细胞朝着我们感兴趣的组织分化，并且一直使这些细胞保持同质性，”伊利诺大学基因组生物学研究所的动物科学教授Tanaka说：“只有如此，才能生成特定的细胞类型，并最终实现多能干细胞的临床应用。”  G/ P7 E9 ^2 }' S. k

" @2 M9 V  H) \在新研究中研究人员发现多能mESCs更倾向于粘附在一起形成圆形克隆，而克隆边缘与坚硬的培养皿接触的细胞则相对分化地更快一些。基于此现象，研究人员决定将研究方向集中到mESC的机械学而非化学研究上。进而研究人员发现相对于成熟的细胞干细胞要柔软10倍，于是研究人员开始质疑是否是培养皿和细胞间的机械力刺激了细胞分化。在早期的研究中王宁和Tanaka证实即使是很小的机械力也可直接影响细胞的分化。那么是否可以利用机械学来抑制干细胞分化呢？研究人员大胆地提出了假设。
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研究小组将培养的mESCs细胞分成三个处理组进行平行试验：第一组mESCs细胞的用常规的加入生长因子的培养基培养；研究人员将第二组细胞接种在与细胞同样硬度的软胶上培养，并加入生长因子；第三组的细胞同样在软胶上培养，但却没有加入生长因子。研究人员发现在软凝胶上培养的细胞表现出更强的同质性和多能性。甚至在缺乏因子因子的条件下，培养三个月，传代20次后仍是如此。
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5 e1 k2 f4 p1 p8 Y0 M0 b“世界上的事物都有两面性。我们在发现机械力可以诱导干细胞分化后反其道行之，证实降低基质与细胞的机械力可使细胞保持在多能状态，”王宁说：“我们的研究证实机械环境具有与化学生长因子一样重要的作用。在体内，细胞只在一段短时间内分泌生长因子。而另一方面，机械力则一直在影响着每个细胞。”
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6 T' g% d% e: W8 n在接下来的试验中，研究人员想尝试用诱导多能干细胞(iPSCs)来进一步验证他们的软基质培养方法“我们将尝试将小鼠iPSCs接种到同样的软基质中培养，看看是否能够获得同质的干细胞培养物。这一实验如果能取得成功，其产生的影响将无疑是巨大的，”Tanaka说。（生物谷Bioon.com）
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sunsong7

邓林红教授继Nature文章后再次解析细胞力学研究
% @7 I& [* U! v2 _: h4 ]/ sSunday, 31 October 2010 10:06 Chunyang Xiong    [http://www.ebiotrade.com/newsf/2010-9/201093171903400.htm]* F- T5 y- a; M; m. h; N

, r( O- a  U& }8 f7 p! {摘要： 重庆大学生物工程学院邓林红教授实验室与美国哈佛大学合作实验室在国际著名开放读取综合学术杂志Plos One上发表论文，揭示机械拉伸引发细胞流态化响应的内在机制。0 u1 |/ ?, O& u% z+ ]$ {/ z

1 Q- P+ a4 e* @! Y% l; s近日，重庆大学生物工程学院邓林红教授实验室与美国哈佛大学合作实验室在国际著名开放读取综合学术杂志Plos One上发表论文，揭示机械拉伸引发细胞流态化响应的内在机制。7 s/ `& F3 \) c/ }- d! L

. t8 \2 ]) Q: e: N4 e该合作研究是邓林红教授于与哈佛大学合作者继2007年在Nature上发表有关机械拉伸引起细胞流态化响应论文后的进一步深化（Universal physical responses to stretch in the living cell”——Nature 447:592-595, 31 May, 2007）。2007年发表在Nature上的论文首次提出了活细胞在收到短暂机械牵张之后会迅速软化并向流体状态转化，随后又逐渐恢复到拉伸前的状态。这一现象在各种细胞和生化环境下都有普遍性，因此对于理解细胞的物理行为和相关生理病理现象具有十分重要的意义。但该重要现象的内在机制仍然没有得到完全的揭示。
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( q# x, Q# K- M# ]2008年10月，邓林红教授的博士研究生陈诚作为重庆大学和美国哈佛大学联合培养的博士研究生，被派往哈佛大学，在美方共同导师Fredberg教授的实验室继续有关细胞在机械拉伸后发生流态化及其内在机制的研究。经过近两年的努力，陈诚在中美双方导师的共同指导和和其他合作者的通力协作下，利用细胞牵张力显微测量技术，磁微粒扭转细胞流变测量技术等细胞力学领域先进技术动态观测了人体膀胱平滑肌细胞在受到短暂的机械牵张后，其细胞硬度、细胞牵张力、以及细胞骨架形态的变化。
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实验结果表明，膀胱平滑肌细胞在受到短暂牵张之后迅速“液化”，然后缓慢的“再固化”，逐渐恢复到拉伸前的状态。更为重要的是，由于短暂拉伸持续的时间非常短，细胞发生的所有物理相应过程并不是通过细胞内部的生物化学信号通路调控的，而是通过细胞骨架的纤维型肌动蛋白（F-actin）的迅速分解和缓慢再重组来实现和调控的。
' N, C( t# e0 N9 j7 r* V' A4 f: e" s
( r; M: Y! D8 B5 F9 L# WPlos One发表的这篇论文，不仅采用人体内另一种同样收到机械牵张力的影响的膀胱平滑肌细胞进一步证实了细胞在受到短暂拉伸后迅速发生流态化与缓慢恢复的普遍性，并且找出首次观测到了F-actin在其中扮演的关键作用，至少部分地，如果不是完全的话，揭示了这个现象的内在物理调控机制。
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随着现代细胞生物学和细胞动力学的共同发展，机械力和物理环境如何对细胞结构和功能发生影响并决定许多重大生命活动过程的谜团正在被逐步打开。因此，在对细胞进行传统的生物分析和化学分析的同时，系统地研究细胞的物理环境和受力情况以及相应的细胞行为规律，将对更准确、更深入地理解细胞的运作机制、为细胞生理学和病理学的研究提供新的启发和思路。7 H  ]- @8 ]& P% E
7 f7 h( W; H: J# H  @
原文检索：PLoS ONE 5(8): e12035. doi:10.1371/journal.pone.0012035, S7 a2 @4 Q$ `# F0 w8 D( f

% c7 _$ H4 p2 X在线链接：http://www.plosone.org/article/i ... ournal.pone.0012035$ K9 I- o9 T$ i0 s4 ~
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Fluidization and Resolidification of the Human Bladder Smooth Muscle Cell in Response to Transient Stretch1 p$ s4 d) U  H

7 J* A1 r- c( c0 H: \Cheng Chen1,2#, Ramaswamy Krishnan2#, Enhua Zhou2, Aruna Ramachandran3, Dhananjay Tambe2, Kavitha Rajendran2, Rosalyn M. Adam3, Linhong Deng1,2*, Jeffrey J. Fredberg26 R. Z4 p: ?8 }
9 q  R2 d) Y, R8 c5 l
1 Key Laboratory of Biorheological Science and Technology, Ministry of Education, Bioengineering College, Chongqing University, Chongqing, China, 2 Program in Molecular and Integrative Physiological Sciences, Department of Environmental Health, Harvard School of Public Health, Boston, Massachusetts, United States of America, 3 Urological Diseases Research Center, Department of Urology, Children's Hospital Boston and Department of Surgery, Harvard Medical School, Boston, Massachusetts, United States of America
  j: {% u' N' `. q: t* e! g! V, I$ d9 }1 `2 Z$ ]  y
Abstract' |6 Y; I( k- s
Background：Cells resident in certain hollow organs are subjected routinely to large transient stretches, including every adherent cell resident in lungs, heart, great vessels, gut, and bladder. We have shown recently that in response to a transient stretch the adherent eukaryotic cell promptly fluidizes and then gradually resolidifies, but mechanism is not yet understood.
8 k  t) u* y; `* OPrincipal Findings：In the isolated human bladder smooth muscle cell, here we applied a 10% transient stretch while measuring cell traction forces, elastic modulus, F-actin imaging and the F-actin/G-actin ratio. Immediately after a transient stretch, F-actin levels and cell stiffness were lower by about 50%, and traction forces were lower by about 70%, both indicative of prompt fluidization. Within 5min, F-actin levels recovered completely, cell stiffness recovered by about 90%, and traction forces recovered by about 60%, all indicative of resolidification. The extent of the fluidization response was uninfluenced by a variety of signaling inhibitors, and, surprisingly, was localized to the unstretch phase of the stretch-unstretch maneuver in a manner suggestive of cytoskeletal catch bonds. When we applied an “unstretch-restretch” (transient compression), rather than a “stretch-unstretch” (transient stretch), the cell did not fluidize and the actin network did not depolymerize.6 Z1 G: b0 K: K9 k4 @8 _$ S
Conclusions：Taken together, these results implicate extremely rapid actin disassembly in the fluidization response, and slow actin reassembly in the resolidification response. In the bladder smooth muscle cell, the fluidization response to transient stretch occurs not through signaling pathways, but rather through release of increased tensile forces that drive acute disassociation of actin.
) K9 O) s% p; u# F3 C

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Nature Materials" _5 \% Q9 H7 J0 I9 K( P9 F" Q

3 R' P* Q, T- z+ d3 APublished online: 18 October 2009 | doi:10.1038/nmat2563
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6 `+ Q7 T: N; I( ]7 x/ x  jMaterial properties of the cell dictate stress-induced spreading and differentiation in embryonic stem cells% U; e" V3 w5 B; F- {
/ j+ S: E7 b4 \$ ~
Farhan Chowdhury1, Sungsoo Na1,2,5, Dong Li3,5, Yeh-Chuin Poh1, Tetsuya S. Tanaka4, Fei Wang3 & Ning Wang1/ C& p4 f) Z' P% Q4 C. [

! A5 M. k. r) i& g. D【Abstract】* e3 g6 `- j3 P9 j2 h  [3 ^' E- m

* E( o! R6 L6 ^; i* D, V5 HGrowing evidence suggests that physical microenvironments and mechanical stresses, in addition to soluble factors, help direct mesenchymal-stem-cell fate. However, biological responses to a local force in embryonic stem cells remain elusive. Here we show that a local cyclic stress through focal adhesions induced spreading in mouse embryonic stem cells but not in mouse embryonic stem-cell-differentiated cells, which were ten times stiffer. This response was dictated by the cell material property (cell softness), suggesting that a threshold cell deformation is the key setpoint for triggering spreading responses. Traction quantification and pharmacological or shRNA intervention revealed that myosin II contractility, F-actin, Src or cdc42 were essential in the spreading response. The applied stress led to oct3/4 gene downregulation in mES cells. Our findings demonstrate that cell softness dictates cellular sensitivity to force, suggesting that local small forces might have far more important roles in early development of soft embryos than previously appreciated.
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