物理作用：推动干细胞转化（图）

生物通报道：加州大学伯克利分校的研究人员最近发现，一种骨髓来源的成人干细胞受到拉伸后，能够朝建立血管的细胞转化。研究结果刊登于10月23日电子版《PNAS》。

　　

生物通报道：加州大学伯克利分校的研究人员最近发现，一种骨髓来源的成人干细胞受到拉伸后，能够朝建立血管的细胞转化。

研究人员将骨髓间充质干细胞（mesenchymal stem cells）置于每秒钟纵向拉伸一次的硅胶膜（silicone membrane）上，寻找“朝血管壁平滑肌组织发展的骨髓干细胞”。研究结果刊登于10月23日电子版《PNAS》，其中强调了机械力在干细胞分化中的重要性。

骨髓间充质干细胞能够转化为各种类型的结缔组织，如骨、软骨和肌肉等。胚胎干细胞具有分化为各种组织的全能性，对于实验室研究很方便，但是由于伦理道德争论使其不能用于实验室研究。但是两种类型的干细胞研究都以治疗疾病或者肌体受损部位为目标。干细胞分化实验，一直以来是利用化学信号刺激干细胞向目的细胞类型转化。

伯克利生物工程副教授李松（Song Li，音译）带领研究小组，对干细胞所在的物理环境对干细胞发育的影响进行研究。“机械力对于肌体的影响很好理解。比如太空中的宇航员由于缺乏重力而骨质疏松，”李说“现在我对机械刺激能够影响干细胞分化进行验证，将这个概念进一步扩大到细胞水平。”

为了更多地了解能够影响骨髓间充质干细胞最终发育命运的因素，研究人员设计了一个实验，观察细胞是否能够在物理刺激下转变为血管细胞。

伯克利大学生物工程学研究生、实验首要作者Kyle Kurpinski指出，先前关于机械拉力的影响的研究都是将细胞向各个方向拉伸。然而，血管壁细胞只是受到一个周向（circumferential direction）的拉伸。Kurpinski等首次观察单轴向力对于干细胞分化的影响。

研究人员根据成人脉冲频率，选择每秒拉伸一次的速度。模仿由骨胶原纤维构成的血管的形成方式，将单层骨髓间充质细胞置于刻有细微纹沟的硅胶膜上（阴性对照组使用没有细微纹沟的硅胶膜）。细微纹沟或与力的方向垂直或与力的方向平行，致使一些细胞受到拉伸，一些细胞不会受到拉伸。

间充质干细胞可以在携带微细纹沟的硅胶膜上生长。这些纹沟可以根据力的方向排列细胞 。

Kurpinski.说：“细微纹沟中的细胞感受到的拉力应该比平滑表面上的细胞感受到的拉力大。”实验进行两天以后，研究人员发现，与没有受到拉伸的细胞相比，实验组细胞中一组控制抗张强度（tensile strength）的基因表达量明显上升。特别是平滑肌细胞的遗传标记之一calponin 1，表达水平明显上升。抗张强度对于血管壁等抵抗拉力的组织非常重要。

与此同时，一组与软骨和骨等承受压缩力的组织相关的基因表达水平下降。“对于软骨和骨，特别是关节部位的骨细胞来说，需要承受压缩力，”李说，“干细胞可能是通过受到的机械力的类型获知要向哪种组织发展。”

关于细胞定位，研究人员发现，缺乏细微纹沟后干细胞的排列方向可以与拉伸方向垂直。相反，有细微纹沟的硅胶膜上，当拉力与纹沟的方向平行时，干细胞延着纹沟的方向排列。

间充质细胞骨架反应了干细胞在微型膜上的生长方向。在没有细微纹沟的薄膜上，干细胞随机排列，但是重复拉伸会其垂直于拉伸方向重新排列。然而，在带有细微纹沟的膜上，干细胞与纹沟平行，拉伸后仍然保持平行。注：拉伸方向由左至右，纹沟的方向也是左右的。

垂直方向能够明显降低抗张强度的基因表达水平，当细胞排列方向与力的方向一致时细胞增殖略微增加。结果提示干细胞正在朝平滑肌组织转化，尽管没有彻底转化。

李认为转化的潜力还是有的，“我们中途停止了实验。完全得到细胞分化的有效手段，还需要将化学和机械力连接起来。”（生物通记者 子元）