近日伊利诺大学的研究人员发现了一种新方法可使干细胞长期维持在中间状态。研究论文发表在 PLoS One杂志上。在论文中研究人员称他们利用一种软凝胶培养小鼠胚胎干细胞(mESCs)可使细胞长期维持在多能状态。并且无需加入昂贵的生长因子，这种软基质能在很长一段时间内维持同质克隆的生长。
“这一技术在未来的再生医学中有着巨大的应用前景，”研究的共同负责人、医学科学和工程学教授王宁（音译，Ning Wang）说：“这是一个鼓舞人心的结果。我们的研究结果表明我们朝着揭示干细胞的基本生物学迈出了重要的一步。”
第一排从左到右分别是：研究生 Farhan Chowdhury 和 Yanzhen Li ，访问学者Tamaki Yokohama-Tamaki; 第二排从左到右分别是, 研究生Yeh Chuin Poh; Tetsuya Tanaka教授 ; Ning Wang教授
在干细胞研究中将mESC维持在均一的多能状态是一件非常困难的事情。多能干细胞可自发地分化，转变为专门化的组织类型例如皮肤或肌肉。长期以来研究人员都是利用生长因子来维持mESCs的状态不变，但是即便如此不久之后培养细胞还是会进入不同的分化阶段，呈现不同的基因表达和形态。样品的多样性使得研究人员很难开展实验诱导干细胞培养生成特定类型的组织。
“我们的目标就是使同质的未分化细胞朝着我们感兴趣的组织分化，并且一直使这些细胞保持同质性，”伊利诺大学基因组生物学研究所的动物科学教授Tanaka说：“只有如此，才能生成特定的细胞类型，并最终实现多能干细胞的临床应用。”
在新研究中研究人员发现多能mESCs更倾向于粘附在一起形成圆形克隆，而克隆边缘与坚硬的培养皿接触的细胞则相对分化地更快一些。基于此现象，研究人员决定将研究方向集中到mESC的机械学而非化学研究上。进而研究人员发现相对于成熟的细胞干细胞要柔软10倍，于是研究人员开始质疑是否是培养皿和细胞间的机械力刺激了细胞分化。在早期的研究中王宁和Tanaka证实即使是很小的机械力也可直接影响细胞的分化。那么是否可以利用机械学来抑制干细胞分化呢？研究人员大胆地提出了假设。
研究小组将培养的mESCs细胞分成三个处理组进行平行试验：第一组mESCs细胞的用常规的加入生长因子的培养基培养；研究人员将第二组细胞接种在与细胞同样硬度的软胶上培养，并加入生长因子；第三组的细胞同样在软胶上培养，但却没有加入生长因子。研究人员发现在软凝胶上培养的细胞表现出更强的同质性和多能性。甚至在缺乏因子因子的条件下，培养三个月，传代20次后仍是如此。
“世界上的事物都有两面性。我们在发现机械力可以诱导干细胞分化后反其道行之，证实降低基质与细胞的机械力可使细胞保持在多能状态，”王宁说：“我们的研究证实机械环境具有与化学生长因子一样重要的作用。在体内，细胞只在一段短时间内分泌生长因子。而另一方面，机械力则一直在影响着每个细胞。”
在接下来的试验中，研究人员想尝试用诱导多能干细胞(iPSCs)来进一步验证他们的软基质培养方法“我们将尝试将小鼠iPSCs接种到同样的软基质中培养，看看是否能够获得同质的干细胞培养物。这一实验如果能取得成功，其产生的影响将无疑是巨大的，”Tanaka说。（生物谷Bioon.com）
生物谷推荐原文出处：
PLoS ONE doi:10.1371/journal.pone.0015655
Soft Substrates Promote Homogeneous Self-Renewal of Embryonic Stem Cells via Downregulating Cell-Matrix Tractions
Farhan Chowdhury1, Yanzhen Li2, Yeh-Chuin Poh1, Tamaki Yokohama-Tamaki2, Ning Wang1*, Tetsuya S. Tanaka2,3*
1 Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois, United States of America, 2 Department of Animal Sciences, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois, United States of America, 3 Institute for Genomic Biology, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois, United States of America
Abstract
Maintaining undifferentiated mouse embryonic stem cell (mESC) culture has been a major challenge as mESCs cultured in Leukemia Inhibitory Factor (LIF) conditions exhibit spontaneous differentiation, fluctuating expression of pluripotency genes, and genes of specialized cells. Here we show that, in sharp contrast to the mESCs seeded on the conventional rigid substrates, the mESCs cultured on the soft substrates that match the intrinsic stiffness of the mESCs and in the absence of exogenous LIF for 5 days, surprisingly still generated homogeneous undifferentiated colonies, maintained high levels of Oct3/4, Nanog, and Alkaline Phosphatase (AP) activities, and formed embryoid bodies and teratomas efficiently. A different line of mESCs, cultured on the soft substrates without exogenous LIF, maintained the capacity of generating homogeneous undifferentiated colonies with relatively high levels of Oct3/4 and AP activities, up to at least 15 passages, suggesting that this soft substrate approach applies to long term culture of different mESC lines. mESC colonies on these soft substrates without LIF generated low cell-matrix tractions and low stiffness. Both tractions and stiffness of the colonies increased with substrate stiffness, accompanied by downregulation of Oct3/4 expression. Our findings demonstrate that mESC self-renewal and pluripotency can be maintained homogeneously on soft substrates via the biophysical mechanism of facilitating generation of low cell-matrix tractions.
