《Cell Stem Cell》干细胞培养,最好挤一挤

来源: 生物通 / 作者: 伍松 / 时间: 2020-10-15
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人与人之间的身体距离越近,交流的机会就越高,比如思想、信息,甚至是感染。现麻省理工学院和波士顿儿童医院的研究人员发现,即使在单个细胞内的微观环境中,物理拥挤也会增加相互作用的机会,在某种程度上可以显著改变细胞的健康和发育。

在今天发表在《Cell Stem Cell》杂志上的一篇论文中,研究人员表明,物理挤压细胞,挤压细胞内容物,可以触发细胞比正常情况下更快地生长和分裂。

虽然挤压某物使其生长听起来有悖常理,但该团队有一个解释:挤压的作用是从细胞中榨出水分。由于水少了,蛋白质和其他细胞成分就紧密地堆积在一起。当某些蛋白质靠近时,它们可以触发细胞信号并激活细胞内的基因。

在他们的新研究中,科学家们发现挤压肠道细胞会触发蛋白质沿着特定的信号通路聚集,这可以帮助细胞维持其干细胞状态,这种未分化状态可以快速生长并分裂成更为特殊的细胞。麻省理工学院机械工程副教授 Ming Guo 说,如果细胞可以简单地挤压来促进其 “干性”,那么就可以引导它们迅速建立微型器官,例如人工肠或结肠,它可以被用作了解器官功能和测试各种疾病候选药物的平台,甚至可以作为再生医学的移植。

包装

为了研究挤压对细胞的影响,研究人员将不同类型的细胞混合在溶液中,这些溶液凝固成橡胶状的水凝胶板。为了挤压细胞,他们在水凝胶的表面放置重量。

“我们想实现细胞大小的显著变化,这两种重量可以压缩细胞大约 10% 到 30% 的总体积,”Guo 解释说。研究小组使用共焦显微镜在三维空间中测量每个样本被压缩时单个细胞的形状是如何变化的。正如他们所料,细胞在压力下收缩。但是挤压也会影响细胞的含量吗?为了回答这个问题,研究人员首先观察细胞的含水量是否发生了变化。如果挤压的作用是从细胞中挤出水分,研究人员推断细胞的水分应该少一些,结果会更硬。

他们用光镊(一种基于激光的技术,研究细胞内部的相互作用),测量了称重前后细胞的刚度,并发现细胞确实在压力下变硬。他们还发现,被挤压的细胞内的活动减少,这表明它们的内容物比平常更为拥挤。

接下来,他们研究了细胞中某些蛋白质之间的相互作用是否在细胞被挤压时发生了变化。他们集中研究了几种已知能触发 Wnt/β-catenin 信号的蛋白质,这种信号与细胞生长和维持 “干性” 有关。

“一般来说,这种途径可以使细胞更像干细胞,”Guo 说。“如果你改变了这一途径的活动,癌症的进展和胚胎的发育已经被证明是非常不同的。所以我们认为我们可以利用这个途径来证明细胞拥挤的重要性。”

“提神” 之路

为了观察细胞挤压是否会影响 Wnt 通路,以及细胞生长的速度,研究人员培育了类器官,在本例中,是从小鼠肠道收集的细胞簇。

“Wnt 途径在结肠中尤为重要,”Guo 说。他指出,人类肠道中的细胞不断得到补充。Wnt 途径对于维持肠道干细胞、产生新细胞和 “提神” 肠道内壁至关重要。

他和他的同事们在几个培养皿中培养出大约半毫米长的类肠道器官,然后在培养皿中注入聚合物来 “挤压” 类器官。聚合物的涌入增加了每个有机物周围的渗透压,迫使水从细胞中流出。研究小组观察到,随着 Wnt 基因的聚集,其生长路径中的蛋白质更容易聚集在一起。

结果是:那些被挤压的类器官实际上生长得更大更快,表面上的干细胞比没有挤压的要多。

“差别非常明显,”Guo 说。“当你施压时,类器官会变更大,干细胞也会变多,这项研究显示物理挤压影响类器官生长,细胞的行为随含水多少而改变,这是非常普遍和广泛的,潜在的影响是深远的。”

“以后我们可以施加不同的压力来制造不同大小的类器官,然后尝试不同的药物,我想会有很多可能性,”Guo 总结道。

原文检索:Volumetric Compression Induces Intracellular Crowding to Control Intestinal Organoid Growth via Wnt/β-Catenin Signaling

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