材料力学与干细胞的分化

         细胞生物学名词－“分化”，是指干细胞转变成为不同类型细胞的过程，在这个过程中细胞的形态也发生相应的变形。因此了解细胞的分化是未来发展以干细胞为基础的再生医学疗法的关键因素之一。通常情况下，可能需要几个星期或更长时间，才能知道干细胞是怎样分化的。密歇根大学的研究人员采用一种新型基质材料和方法，缩短了这个冗长的时间，加速了识别干细胞分化的过程。可以用短到一天的时间作出预测：细胞会如何分化，或者在不同药物刺激下会分化成什么类型的组织细胞。

         这项研究对干细胞的动力学方面作了观察，对附着在基质材料上的细胞与材料之间相互施加的轻微的力做了研究。这些牵拉外力被认为有可能参与和影响细胞分化的过程。研究者制备了一种新型的干细胞附着基质或支架，其硬度可以在不改变其化学成分条件下进行调整，而传统干细胞附着生长的基质或支架达不到这种要求。新基质支架类似于一些头发样突起构成的“微柱”超细地毯,是由弹性聚合物聚二甲基硅氧烷（polymer polydimethylsiloxane)制成的。通过调整微柱的高度，研究人员就能够改 变这种基质的刚度。实验中，将人类间质干细胞接种在这种基质支架上。在刚性更强的支架上干细胞分化成骨骼细胞，当在较软的支架上干细胞转化成为脂肪细胞。除了观察基质支架刚性对干细胞分化的影响，研究人员用荧光显微镜对培养中的细胞牵引力也做了观察，看看是否也可以预测细胞是如何分化的。通过测量了微柱弯曲程度来对细胞的牵引力定量。研究发现，如果干细胞决定分化成为一种特定的细胞类型，它们的牵引力量可以比那些不准备进行分化，或准备分化为另外类型的细胞大的很多。因此可以利用干细胞分化时牵引力的演变作为干细胞分化的早期预测指标。

                                                                                                       
图1.  人骨髓间充质干细胞在微柱架上生长的荧光显微镜影象。细胞培养一天。红点是微柱，绿色是细胞，蓝色是细胞核，此基质支架微柱较短。这个干细胞会分化成骨细胞。                                                 

图2. 人骨髓间充质干细胞在长微柱板生长的扫描电镜图像,细胞拉力作用下的弯曲微柱。这个细胞将成为脂肪细胞。细胞在较高较软的微柱上能分化成脂肪细胞。在更短更刚性基板上能分化为骨细胞。