血管间充质细胞(vascular mesenchymal cell)利用左右不对称(left-right asymmetry)形成模式结构。
如果我们能够利用病人自己的干细胞重建肝脏或肾脏将会怎么样？如何有助于再生因诸如骨质疏松症和关节炎之类的疾病而受损的组织？来自美国加州大学旧金山的一项新研究让科学家们更好地理解组织在体内如何形成和组装，从而朝人工组织再生的最终目标走近了一步。
来自加州大学旧金山的一个研究小组发现当迁移中的细胞所在的环境发生变化时，它们偏好转向右方。研究人员然后能够在组织水平上利用细胞的这一偏好重建这种左右不对称。这种不对称在创建诸如大脑和手之类的结构的左边和右边之间的差别起着重要作用。2012年2月17日，这些研究结果发表在Circulation Research期刊上。
通讯作者Linda L. Demer教授说，“我们的发现提示着组织工程的一种机制和设计原则。组织和器官不只是细胞的集合体，而是需要精心的结构设计以便正常地发挥功能。我们的发现有助于解释细胞如何辨别方向和产生一种高度特异性的左右不对称，而这是组织和器官构建的一个重要的基础。”
利用微电子技术，研究小组设计在实验室中设计出一种培养表面，而且该表面是由交替排列的细胞粘附性或排斥性蛋白基质(protein substrate)组成的，就好比于地板是由交替排列的地毯和瓷砖狭窄横条纹组成的。当细胞在体内运行时，它们就可能遇到这些表面变化。
研究人员观察到当迁移中的细胞跨过“地毯(carpet)”和“瓷砖(tile)”条纹之间的界面时，它们显著地产生一种向右旋转20度的倾向，从而在整个表面上产生斜条纹。
第一作者Ting-Hsuan Chen说，“我们一直关注血管细胞(vascular cell)在培养时自发性地形成的组织结构并想研究这种过程。我们不知道这种基质将触发我们在细胞中观察到的这种左右不对称。这完全出乎我们的意料之外。”
“我们发现当细胞遇到培养表面发生的机械变化时，它们能够将右与左区分开来并进行自我组装。这为科学家如何用细胞的语言同它们交流和如何开始指导它们产生组织类似的结构提供启示。”
研究人员认为，这些细胞能够感知在它们下面的基质，而这影响它们迁移的方向和它们在体内形成的结构形状。研究人员说，最有意思的是这些细胞对横条纹产生反应，从而自我重组装形成斜条纹。
研究小组希望利用这种现象使用基质界面与细胞进行交流并指导它们产生所需的用作替换的组织结构。研究人员说，通过调整基质，他们就可能指导这些细胞产生什么样的结构和形成什么样的组织。
这项研究的下一步将是控制和指导细胞自我组装成研究人员挑选的二维甚至三维的模式结构。
研究小组发现，这是第一次证实基质上发生变化能够触发细胞偏好向右或向左转。它也是第一次显示细胞能够利用这种左右不对称产生类似于组织结构的平行斜条纹模式结构。
Demer说，“这项研究可能有助于未来利用病人自己的干细胞构建器官。考虑到用于移植的捐赠器官供应有限和存在免疫排斥的问题，这特别重要。” (生物谷：towersimper编译)
doi:10.1161/CIRCRESAHA.111.255927
PMC:
PMID:
Left-Right Symmetry Breaking in Tissue Morphogenesis via Cytoskeletal Mechanics
Ting-Hsuan Chen, Jeffrey J. Hsu, Xin Zhao, Chunyan Guo, Margaret N. Wong, Yi Huang, Zongwei Li, Alan Garfinkel, Chih-Ming Ho, Yin Tintut, Linda L. Demer
Rationale: Left-right (LR) asymmetry is ubiquitous in animal development. Cytoskeletal chirality was recently reported to specify LR asymmetry in embryogenesis, suggesting that LR asymmetry in tissue morphogenesis is coordinated by single- or multi-cell organizers. Thus, to organize LR asymmetry at multiscale levels of morphogenesis, cells with chirality must also be present in adequate numbers. However, observation of LR asymmetry is rarely reported in cultured cells.
Objectives: Using cultured vascular mesenchymal cells, we tested whether LR asymmetry occurs at the single cell level and in self-organized multicellular structures.
Methods and Results: Using micropatterning, immunofluorescence revealed that adult vascular cells polarized rightward and accumulated stress fibers at an unbiased mechanical interface between adhesive and nonadhesive substrates. Green fluorescent protein transfection revealed that the cells each turned rightward at the interface, aligning into a coherent orientation at 20° relative to the interface axis at confluence. During the subsequent aggregation stage, time-lapse videomicroscopy showed that cells migrated along the same 20° angle into neighboring aggregates, resulting in a macroscale structure with LR asymmetry as parallel, diagonal stripes evenly spaced throughout the culture. Removal of substrate interface by shadow mask-plating, or inhibition of Rho kinase or nonmuscle myosin attenuated stress fiber accumulation and abrogated LR asymmetry of both single-cell polarity and multicellular coherence, suggesting that the interface triggers asymmetry via cytoskeletal mechanics. Examination of other cell types suggests that LR asymmetry is cell-type specific.
Conclusions: Our results show that adult stem cells retain inherent LR asymmetry that elicits de novo macroscale tissue morphogenesis, indicating that mechanical induction is required for cellular LR specification.
