综述：利用生物材料诱导的机械转导调控干细胞代谢

这篇综述深入探讨了生物材料特性（如硬度、拓扑结构）通过机械转导（mechanotransduction）调控干细胞代谢（如糖酵解/OXPHOS转换）进而影响其命运（多能性、分化、免疫调节）的分子机制，重点揭示了YAP/TAZ-Hippo通路、代谢-表观遗传（H3K9ac/H3K27me3）耦合等关键靶点，为再生医学提供新策略。

　　

细胞代谢与干细胞命运的共舞

干细胞的行为受到内在代谢程序和外在生物力学信号的双重调控。外部机械力通过机械转导感知，在控制细胞增殖、分化和凋亡中发挥关键作用。细胞处于动态环境中，机械力和能量代谢之间存在复杂的相互作用。

代谢调控干细胞多能性

多能干细胞（PSCs）的代谢状态与其发育潜能密切相关。小鼠胚胎干细胞（mESCs）具有双向代谢能力，可在糖酵解和氧化磷酸化（OXPHOS）之间切换，而人类胚胎干细胞（hESCs）和诱导多能干细胞（iPSCs）主要依赖缺氧诱导因子1α（HIF-1α）介导的糖酵解。代谢重编程不仅为细胞生长和分化提供能量和生物合成前体，还通过代谢信号和表观遗传重塑主动指导谱系定向。

代谢维持干细胞静息状态

组织特异性成体干细胞通常处于静息状态，以保持长期自我更新能力。静息干细胞常驻留在低氧环境中，通过糖酵解获取能量，最小化线粒体OXPHOS和活性氧（ROS）产生。例如，造血干细胞（HSCs）在骨髓低氧区域表现出低线粒体活性和增强的糖酵解，与HIF-1α上调相关。

代谢促进干细胞增殖

快速增殖的干细胞与癌细胞类似，通常利用有氧糖酵解来满足生物能量和生物合成需求。糖酵解更有效地生成子代细胞所需的大分子前体，如乙酰辅酶A（乙酰-CoA）用于脂肪酸合成、糖酵解中间体用于非必需氨基酸合成以及核糖用于核苷酸合成。

代谢通路驱动干细胞分化

细胞分化通常伴随增殖和代谢需求增加，通过利用葡萄糖、脂肪酸、乳酸或谷氨酰胺等能量源来满足。虽然糖酵解在维持干细胞特性中起关键作用，但氧化代谢允许更有效的能量生产，匹配分化过程中的能量需求过程。

机械转导与代谢的相互作用

机械转导是细胞感知和将环境机械信号转化为生化反应的过程。细胞通过多种机制感知这些机械信号，包括膜激活的离子通道、粘附蛋白如整合素和钙粘蛋白。机械力通过粘附蛋白传递到肌动蛋白细胞骨架，进而影响核结构和染色质组织。

生物材料诱导的机械感知

生物材料为操纵干细胞微环境提供了多功能平台。通过特定的拓扑结构和硬度，生物材料可以调节干细胞的代谢状态和命运。例如，纳米拓扑结构通过差异整合素调控驱动干细胞命运，而基质硬度通过调节细胞内张力和RhoA/ROCK信号影响干细胞分化。

代谢-表观遗传耦合

代谢重编程在干细胞中通过提供作为DNA和组蛋白修饰的供体和底物的代谢物，以及表观遗传酶的辅因子，在调节表观遗传状态中发挥作用。组蛋白乙酰化是一种普遍存在的翻译后修饰，与染色质可及性增加和转录激活相关，受组蛋白乙酰转移酶（HATs）和组蛋白去乙酰化酶（HDACs）调控。

未来展望

干细胞疗法在治疗多种疾病中具有巨大潜力，但分化效率、可扩展性和免疫排斥等挑战限制了其广泛应用。生物材料通过提供适当的生化和生物物理信号，有望解决这些挑战。未来的研究需要进一步阐明机械信号如何通过代谢和表观遗传调控干细胞命运，为再生医学提供新的治疗策略。