如何通过改变应力加固的起始点来调控细胞的命运转换，即从脂肪生成到成骨生成的转变。使用了基于聚异氰肽的全合成三维（3D）矩阵，这些矩阵在生物力学上与成人干细胞微环境相似，并且展现出类似生物聚合物的应力硬化行为。
研究简介
通过增加聚合物链的长度，可以增加水凝胶的临界应力（σC），从而在非常软的微环境中（约0.2-0.4 kPa）诱导hMSCs优先成骨而非成脂。这一发现揭示了应力加固作为一个重要的参数，通过机械转导途径控制干细胞在三维微环境中的命运，并且发现应力加固的起始与微管相关蛋白DCAMKL1的表达相关，暗示DCAMKL1在涉及微管动力学的干细胞成骨过程中的机械转导途径中发挥作用。
通过合成不同链长的聚异氰肽（PICs）并将其功能化，形成了具有不同临界应力的软水凝胶。通过流变学分析，研究者们确定了这些水凝胶的机械性质，并观察到随着聚合物链长度的增加，水凝胶的临界应力线性增加。此外，通过免疫荧光染色和实时定量PCR分析，发现在较低临界应力的水凝胶中培养的hMSCs倾向于成脂分化，而在较高临界应力的水凝胶中培养的hMSCs则倾向于成骨分化。
探讨了细胞与基质的相互作用在干细胞命运决定中的作用。通过使用阻断抗体和可溶性RGD配体，研究者们发现整合素与基质结合对于介导应力加固诱导的承诺转换至关重要。此外，通过使用抑制肌动蛋白收缩的小分子抑制剂Blebbistatin，发现抑制细胞的肌动蛋白收缩会干扰hMSCs的承诺，这可能是因为细胞无法施加牵引力来感知微环境的机械特性。
探讨了微管相关蛋白DCAMKL1在干细胞分化中的作用。通过西方印迹分析，研究者们发现DCAMKL1的表达与水凝胶的临界应力成反比，而RUNX2的表达则与临界应力成正比。这一发现表明，DCAMKL1可能通过拮抗RUNX2来调控干细胞的成骨分化。通过DCAMKL1基因沉默和过表达实验，进一步证实了DCAMKL1在应力加固介导的干细胞分化中的功能联系。
强调了基于聚异氰肽的水凝胶作为研究微环境物理线索在干细胞命运控制中作用的新一类三维细胞培养系统的重要性。这些水凝胶在设计上模仿了自然生物聚合物凝胶的应力加固行为，这一特性在生物组织中广泛存在，并被认为在设计人造细胞外基质模拟支架时具有重要意义。与其他合成聚合物基质相比，这类水凝胶的独特之处在于，它们不需要调节整体硬度就能访问不同分化谱系的干细胞。通过精确控制机械属性，这些水凝胶提供了一个平台，可以独立地改变硬度和配体密度，以提取它们对干细胞命运的个体效应。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/NMAT4483
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