在三维基质中培养的MSCs与基质重塑相关，这增强了成骨分化，然而，将三维中的基质重塑与MSCs的成骨联系起来的机制尚不清楚。探索细胞体积变化在这一过程中的作用，以及TRPV4离子通道如何作为基质粘弹性的分子传感器来调节成骨分化。
研究简介
在三维粘弹性水凝胶中培养的MSCs在细胞扩散过程中会发生体积膨胀，且体积膨胀越大，成骨分化越强。通过慢应力松弛的水凝胶或增加的渗透压来限制体积膨胀会减少成骨，而通过低渗压诱导的体积膨胀则会加速成骨。体积膨胀通过激活TRPV4离子通道来介导，并且TRPV4激活与体积膨胀之间的相互反馈控制RUNX2的核定位，而不是YAP，以促进成骨。这项工作展示了细胞体积在调节三维培养中细胞命运中的作用，并确定了TRPV4作为调节成骨分化的基质粘弹性的分子传感器。
使用了不同分子量的海藻酸盐水凝胶来形成具有一系列粘弹性响应的水凝胶，并用RGD肽促进细胞粘附。通过共聚焦显微镜图像堆栈的三维重建来测量细胞体积，发现在快速松弛的水凝胶中，细胞体积在7天内显著增加，而在慢松弛水凝胶中体积没有显著增加。此外，细胞扩散和体积膨胀同时发生，且扩散的细胞比圆形细胞在快速松弛水凝胶中具有更大的体积。
为了进一步探究体积膨胀对干细胞命运的影响，通过改变渗透压来独立调节细胞体积。研究发现，高渗透压显著损害了快速松弛水凝胶中的细胞体积膨胀和扩散，使其与未经渗透压处理的慢松弛水凝胶中的MSCs相似。此外，高渗透压条件下的MSCs的成骨承诺显著降低，而干细胞标记物CD105增加，而脂肪生成标记物没有变化。这些结果表明，通过限制体积膨胀来控制MSCs的成骨承诺。
低渗压可以加速成骨，通过快速增加细胞体积，但最终体积与对照组无差异，表明低渗压条件允许更快速的体积膨胀，而不是扩张的更大程度。有趣的是，低渗压处理后，细胞形态没有差异，但ALP染色在第5天显著增加，表明早期细胞体积增加加速了成骨。
为了探究体积膨胀如何促进成骨分化，评估了TRPV4离子通道的表达和激活状态。TRPV4被证明可以直接被膜拉伸或通过β1整合素膜受体施加的力激活，并调节细胞体积。研究发现，当细胞体积膨胀受限时，TRPV4的蛋白表达减少。此外，TRPV4在细胞膜上的密集、点状区域发现，这与细胞体积增加有关。通过活细胞钙成像实验，发现在快速松弛水凝胶中细胞内钙浓度显著增加，而渗透压则降低，这与TRPV4在细胞体积膨胀中的功能角色一致。
为了评估TRPV4功能对MSCs命运承诺和细胞体积的影响，使用小分子激动剂或拮抗剂来调节TRPV4离子通道的活性。研究发现，TRPV4拮抗剂GSK205处理显著降低了快速松弛水凝胶中MSCs的成骨分化，细胞体积膨胀和扩散也受到显著限制。而TRPV4激动剂GSK101处理增强了MSCs的成骨分化，尤其是在中等渗透压或中等应力松弛的水凝胶中。这些结果表明，TRPV4的激活和细胞体积膨胀之间存在反馈回路，导致增强的成骨分化。
探讨了细胞形态在调节分化中的作用。TRPV4激动剂处理并未改变细胞形态，尽管诱导了细胞体积和成骨分化的增加，这表明细胞形态在三维微环境中与细胞命运无关。为了更直接地测试体积膨胀和细胞命运承诺是否与细胞形态无关，研究人员在快速松弛水凝胶中培养MSCs，使用生长介质而非诱导介质，以允许扩散。然后，在额外的7天内应用诱导介质和高渗透压来调节细胞体积，独立于形态。结果表明，尽管细胞形态没有显著差异，但体积膨胀受到渗透压限制的细胞的成骨承诺显著降低，这表明限制体积膨胀控制了MSCs的细胞命运承诺，独立于细胞形态。
员探讨了体积膨胀在转录水平上调节MSCs成骨承诺的机制。研究发现，与YAP相比，RUNX2在促进体积膨胀和成骨的条件下表现出更高的核定位。RUNX2是一个重要的转录因子，当其转移到干细胞核中时，会促进成骨基因的表达。研究还发现，RUNX2的核定位与细胞体积高度相关，而YAP的核定位则没有显著变化。此外，ERK信号的药理学抑制显著降低了RUNX2的核定位和随后的成骨承诺，但没有减少细胞体积膨胀，表明RUNX2的激活和成骨是体积膨胀下游的事件。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-019-08465-x
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