材料力學與幹細胞的分化

         細胞生物學名詞－“分化”，是指幹細胞轉變成為不同類型細胞的過程，在這個過程中細胞的形態也發生相應的變形。因此了解細胞的分化是未來發展以幹細胞為基礎的再生醫學療法的關鍵因素之一。通常情況下，可能需要幾個星期或更長時間，才能知道幹細胞是怎樣分化的。密歇根大學的研究人員采用一種新型基質材料和方法，縮短了這個冗長的時間，加速了識別幹細胞分化的過程。可以用短到一天的時間作出預測：細胞會如何分化，或者在不同藥物刺激下會分化成什麽類型的組織細胞。

         這項研究對幹細胞的動力學方麵作了觀察，對附著在基質材料上的細胞與材料之間相互施加的輕微的力做了研究。這些牽拉外力被認為有可能參與和影響細胞分化的過程。研究者製備了一種新型的幹細胞附著基質或支架，其硬度可以在不改變其化學成分條件下進行調整，而傳統幹細胞附著生長的基質或支架達不到這種要求。新基質支架類似於一些頭發樣突起構成的“微柱”超細地毯,是由彈性聚合物聚二甲基矽氧烷（polymer polydimethylsiloxane)製成的。通過調整微柱的高度，研究人員就能夠改 變這種基質的剛度。實驗中，將人類間質幹細胞接種在這種基質支架上。在剛性更強的支架上幹細胞分化成骨骼細胞，當在較軟的支架上幹細胞轉化成為脂肪細胞。除了觀察基質支架剛性對幹細胞分化的影響，研究人員用熒光顯微鏡對培養中的細胞牽引力也做了觀察，看看是否也可以預測細胞是如何分化的。通過測量了微柱彎曲程度來對細胞的牽引力定量。研究發現，如果幹細胞決定分化成為一種特定的細胞類型，它們的牽引力量可以比那些不準備進行分化，或準備分化為另外類型的細胞大的很多。因此可以利用幹細胞分化時牽引力的演變作為幹細胞分化的早期預測指標。

                                                                                                       
圖1.  人骨髓間充質幹細胞在微柱架上生長的熒光顯微鏡影象。細胞培養一天。紅點是微柱，綠色是細胞，藍色是細胞核，此基質支架微柱較短。這個幹細胞會分化成骨細胞。                                                 

圖2. 人骨髓間充質幹細胞在長微柱板生長的掃描電鏡圖像,細胞拉力作用下的彎曲微柱。這個細胞將成為脂肪細胞。細胞在較高較軟的微柱上能分化成脂肪細胞。在更短更剛性基板上能分化為骨細胞。