在生物医学研究的广阔领域中，干细胞分化的调控机制一直是科学家们关注的热点。干细胞具有自我更新和多向分化的潜能，能够在特定条件下分化成多种类型的细胞，这一特性使得它们在再生医学和组织工程中具有巨大的应用前景。然而，干细胞的分化过程受到多种因素的影响，包括生物学信号、微环境的物理化学特性以及细胞外基质的力学性质等。深入理解这些因素如何影响干细胞的行为，对于开发新的治疗策略至关重要。
在这一背景下，力学转导（Mechanotransduction）的研究逐渐成为焦点。力学转导是指细胞感知和响应外部力学刺激的过程，这一过程在细胞形态、迁移、增殖以及分化等行为中扮演着重要角色。尤其是在三维（3D）环境中，细胞与周围环境的相互作用更为复杂，细胞如何通过力学信号感知微环境的变化并作出响应，是当前研究的难点和热点。水凝胶作为一种模拟细胞外基质的生物材料，因其具有良好的生物相容性、可调的力学性质和孔隙结构，成为研究细胞在三维环境中行为的理想模型。水凝胶能够提供类似于自然组织的微环境，使得研究者能够更好地模拟和理解细胞在体内的行为。在水凝胶中，细胞可以感受到与体内相似的力学信号，这些信号通过细胞骨架传递到细胞核，影响细胞的基因表达和分化状态。细胞核作为细胞的控制中心，传统上被认为是遗传信息的存储和表达场所。然而，最新的研究表明，细胞核也是一个复杂的力学传感器，能够响应外部力学刺激并影响细胞行为。细胞核的力学状态，如核膜的张力和核内部的力学性质，可以调节染色质的结构和基因的表达，从而影响细胞的命运。在这一研究背景下，斯坦福大学Fan Yang团队以“Cell tumbling enhances stem cell differentiation in hydrogels via nuclear mechanotransduction”为题在《Nature Materials》上发表了一项突破性研究，揭示了干细胞在水凝胶中的一种新行为——细胞翻滚（Cell Tumbling）。这种在分钟级别上发生的三维动态行为，涉及到细胞骨架和细胞核的快速变化，并且与干细胞向软骨细胞的分化密切相关。这一发现不仅为我们理解细胞如何在三维环境中响应力学刺激提供了新视角，也为再生医学和组织工程提供了新的策略，可能对治疗软骨损伤和其他相关疾病产生深远影响。该图通过对比滑动水凝胶（SG）和传统水凝胶（CG）中骨髓间充质干细胞（MSCs）的行为，揭示了SG中细胞翻滚的动态特性。图像序列显示了MSCs在SG中如何快速地在局部微环境中变形和翻滚，而CG中的细胞则相对静止。此外，上图还包含了对SG和CG的力学特性分析，显示SG在局部比CG更柔软，允许细胞更容易地重组局部基质，从而促进细胞翻滚。通过追踪嵌入水凝胶中的荧光微粒的位移，上图展示了细胞翻滚伴随着显著增强的细胞周围基质变形。Lifeact标记的MSCs显示，在SG中，与CG相比，F-肌动蛋白的秒级动态和皮质F-肌动蛋白的动态突起显著增强。此外，上图还通过活细胞成像揭示了SG中细胞核的显著流动性，其移动速度是CG中的约五倍，且在16小时内行进的距离更远。通过分析细胞和细胞核的运动速度矢量，发现细胞和细胞核的运动在速度和方向上存在强烈的正相关性。这些结果表明，SG中的细胞翻滚与细胞骨架和细胞核动力学的显著增强相关，这可能有助于SG中MSCs向软骨细胞的增强分化。图3 细胞翻滚在调节MSCs向软骨细胞分化中的关键作用通过在S）中对MSCs进行分钟级活细胞成像，研究发现细胞翻滚在分化的早期阶段最为显著，并在随后几天内逐渐减少。抑制细胞翻滚，特别是在分化的前3至4天，显著降低了SG中MSCs的软骨生成能力，表明这一早期动态行为对于增强软骨生成至关重要。此外，通过阻断细胞翻滚的关键驱动机制，如肌动蛋白收缩、Ezrin和LINC复合体，研究进一步证实了这些早期阶段的细胞翻滚机制对于MSCs的软骨分化是必不可少的。上图数据强调了在MSCs分化过程中，早期细胞翻滚行为对于调节软骨生成的重要性。研究发现，在SG中培养的MSCs表现出更高的核力学负荷标记物表达和异染色质标记物的核周定位，这表明细胞翻滚增加了核力学感知和异染色质形成。ATAC-seq结果显示SG中的基因组区域可及性整体下降，与CG相比，SG中细胞翻滚与染色质可及性的降低相关。此外，抑制异染色质形成的关键组蛋白修饰酶，如H3K9me3和H3K27me3，会显著降低MSCs的软骨分化能力，证实了异染色质形成在增强软骨分化中的必要性。图5 细胞翻滚与核机械感应及磷脂酶A2（PLA2）信号通路之间的联系通过活细胞成像，研究发现在SG中，细胞核在秒级时间尺度上表现出更高的变形动态，这与PLA2信号通路的激活相关。实验中，SG中的细胞显示出更高的cPLA2和磷酸化cPLA2（p-cPLA2）表达水平，表明细胞翻滚与PLA2信号通路的增强有关。进一步的实验通过抑制PLA2活性或补充其下游代谢产物花生四烯酸（ARA），调节细胞翻滚和核运动，从而影响MSCs的软骨分化。这些发现表明，通过调节PLA2-ARA信号通路，可以增强或抑制细胞翻滚，进而调控干细胞的分化过程.图6 细胞翻滚现象在不同三维水凝胶平台中对MSCs分化的影响图中通过对比SG和CG中MSCs的行为，证实了细胞翻滚不仅在软骨生成中起作用，也在成骨和成脂分化中出现。图像显示，在SG中，MSCs表现出明显的细胞翻滚行为，而在CG中则几乎没有观察到这种现象。此外，上图还展示了细胞翻滚在可降解和粘弹性水凝胶中的发生，以及在其他细胞类型如软骨细胞和人BJ成纤维细胞中的普遍性。这些结果表明细胞翻滚是一种普遍存在于多种细胞类型和不同水凝胶平台中的物理行为，对MSCs向多个谱系的分化具有重要影响。本文发现了一种名为细胞翻滚的新现象，这一现象描述了干细胞在特定水凝胶环境中进行的快速三维动态运动，并通过核力学转导途径显著增强了干细胞向软骨细胞的分化能力。该研究不仅揭示了细胞翻滚与细胞骨架和核的快速动态之间的密切联系，还发现这一行为与染色质状态的改变相关，特别是异染色质的形成，这对于干细胞分化的调控至关重要。此外，研究还证实了细胞翻滚在多种细胞类型和不同水凝胶平台中的普遍性，为理解细胞如何在三维微环境中响应力学信号提供了新见解，并为再生医学和组织工程领域的发展开辟了新途径。原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41563-024-02038-0
