編程力學(xué)信號，讓干細(xì)胞變“聽話”

干細(xì)胞在人體的微觀世界里并不是孤立存在的，它們生活在一個(gè)復(fù)雜的微環(huán)境中，與周圍的細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)相互作用，這種相互作用不僅僅是物理意義上的“接觸”，更是一種信息的交流。

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干細(xì)胞的“第六感”

干細(xì)胞會通過感知這些力學(xué)信號，從而決定自己是繼續(xù)分裂、分化成某種特定細(xì)胞，還是保持“待命”狀態(tài)。

這種力學(xué)感知能力就像是干細(xì)胞的“第六感”，讓它們能夠敏銳地察覺周圍環(huán)境的變化，并做出對應(yīng)的反應(yīng)。

西安交通大學(xué)林敏教授團(tuán)隊(duì)2021年發(fā)布于《Nature Communications》（《自然通訊》）上的一篇名為“Mechanics-driven nuclear localization of YAP can be reversed by N-cadherin ligation in mesenchymal stem cells”的文章便詳細(xì)闡釋了這種現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)制。

干細(xì)胞可以通過感知細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的剛度、幾何形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來決定自己的分化方向。例如，較硬的基質(zhì)會促使干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，而較軟的基質(zhì)則會引導(dǎo)它們向脂肪細(xì)胞分化。

這種感知能力的核心在于一種名為YAP的蛋白質(zhì)。

YAP是一種轉(zhuǎn)錄共激活因子，它在細(xì)胞核中的定位決定了干細(xì)胞的命運(yùn)。當(dāng)細(xì)胞感受到較硬的基質(zhì)時(shí)，YAP會進(jìn)入細(xì)胞核，激活一系列基因表達(dá)，最終導(dǎo)致成骨分化。而當(dāng)細(xì)胞感受到較軟的基質(zhì)時(shí)，YAP則會滯留在細(xì)胞質(zhì)中，促使脂肪分化。

YAP的核定位一方面會指導(dǎo)分化方向，一方面其本身具有“機(jī)械記憶”：長期暴露于硬基質(zhì)的干細(xì)胞會形成YAP的核記憶，即使轉(zhuǎn)移到軟基質(zhì)中，這種記憶也可能不可逆。

這種記憶的形成機(jī)制類似于細(xì)胞對外界信號的“學(xué)習(xí)”，它讓干細(xì)胞能夠“記住”過去的力學(xué)環(huán)境，并在未來的分化過程中優(yōu)先選擇相應(yīng)的路徑。

干細(xì)胞在發(fā)育的早期階段，會更多地與周圍的細(xì)胞接觸，而不是與細(xì)胞外基質(zhì)接觸。這些細(xì)胞-細(xì)胞相互作用（通過N-cadherin蛋白介導(dǎo)）與細(xì)胞-細(xì)胞外基質(zhì)相互作用（通過整合素介導(dǎo)）共同影響干細(xì)胞的命運(yùn)。

那么，這兩種相互作用如何在動態(tài)變化的環(huán)境中協(xié)同調(diào)控干細(xì)胞的力學(xué)感知呢？

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力學(xué)“模擬器”

為了回答這個(gè)問題，林敏教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于DNA的細(xì)胞培養(yǎng)平臺，這個(gè)平臺能夠根據(jù)指令，動態(tài)地改變細(xì)胞所感受到的粘附信號，并利用DNA的特性，將兩種重要的細(xì)胞粘附分子RGD（模擬細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用）和HAVDI（模擬細(xì)胞與細(xì)胞之間的相互作用）連接到一個(gè)水凝膠上。

進(jìn)一步的，研究人員可以根據(jù)需要隨時(shí)添加或移除這些粘附分子，通過特定的DNA鏈，來控制RGD和HAVDI的呈現(xiàn)與消失。

這樣一來，就可以模擬細(xì)胞在生物體內(nèi)所經(jīng)歷的力學(xué)微環(huán)境變化。該設(shè)計(jì)不僅靈活，而且無損，不會對細(xì)胞或水凝膠造成破壞。

通過這種方式，研究人員可以實(shí)時(shí)調(diào)控細(xì)胞所感受到的力學(xué)信號，從而研究這些信號如何影響干細(xì)胞的行為。

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RGD與HAVDI的對決

通過這個(gè)可編程的平臺，研究人員發(fā)現(xiàn)了一些非常有趣的現(xiàn)象。

當(dāng)細(xì)胞與RGD結(jié)合時(shí)，它們會激活一種叫做Cofilin的蛋白質(zhì)的磷酸化。磷酸化后的Cofilin會促進(jìn)細(xì)胞核周圍一種叫做“頂帽狀肌動蛋白纖維”的結(jié)構(gòu)形成。

這種結(jié)構(gòu)會擠壓細(xì)胞核，使得一種名為YAP的蛋白質(zhì)更容易進(jìn)入，而YAP一旦進(jìn)入細(xì)胞核，就會啟動一系列的基因表達(dá)，最終導(dǎo)致干細(xì)胞向成骨細(xì)胞方向分化。

倘若細(xì)胞與HAVDI結(jié)合，情況則會截然相反。

更有趣的是，這個(gè)過程并不是靜態(tài)的，當(dāng)他們改變RGD和HAVDI的呈現(xiàn)比例時(shí)，干細(xì)胞的反應(yīng)也會隨之動態(tài)調(diào)整。

這意味著，通過精確控制這些力學(xué)信號，我們有可能像指揮交通一樣，引導(dǎo)干細(xì)胞的分化方向。

兩種粘附分子就像是一對正在決斗的“皇家劍客”，在細(xì)胞的力學(xué)感受過程中相互競爭、相互調(diào)節(jié)。它們的“博弈”，決定了細(xì)胞會如何響應(yīng)外界的力學(xué)信號，進(jìn)而影響細(xì)胞的命運(yùn)。

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從實(shí)驗(yàn)室到臨床

基于這些發(fā)現(xiàn)，林敏教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于力學(xué)重編程原理的干細(xì)胞、干細(xì)胞外泌體制備技術(shù)，即N-Cell制備技術(shù)。

傳統(tǒng)干細(xì)胞及外泌體制備技術(shù)采用培養(yǎng)皿，雖然具備操作簡單、成本低、便于觀察等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一定的局限性：

• 細(xì)胞生產(chǎn)效率低：平面生長，空間利用率低，無法規(guī)模量產(chǎn)。

• 細(xì)胞效能差：擴(kuò)增過程導(dǎo)致干性丟失，細(xì)胞密度低，信號傳遞少，細(xì)胞分泌物多用于自身維穩(wěn)，分泌功能差。

• 可設(shè)計(jì)性差：平面培養(yǎng)與體內(nèi)的三維環(huán)境不同，影響細(xì)胞的生長、分化和功能表達(dá)。

而N-Cell制備技術(shù)顯著改善了干細(xì)胞、外泌體的效能及外泌體的內(nèi)容物，研究結(jié)果表明，該技術(shù)：

• 恢復(fù)了干性標(biāo)志物的表達(dá)；

• 將外泌體的分泌數(shù)量提高了2倍；

• 促進(jìn)了目標(biāo)細(xì)胞的生物功能。

這一創(chuàng)新性可編程的、動態(tài)的細(xì)胞培養(yǎng)體系逾越了傳統(tǒng)培養(yǎng)方式存在的干性丟失、細(xì)胞分離、細(xì)胞損傷等技術(shù)壁壘，在不改變基因組的情況下，提高了效能和產(chǎn)率。

因此，該項(xiàng)研究也成功獲得了第四軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會的倫理審查批件，正式從實(shí)驗(yàn)室走向臨床，于空軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院的生殖醫(yī)學(xué)中心正進(jìn)行“力學(xué)工程化臍帶來源干細(xì)胞外泌體修復(fù)子宮內(nèi)膜損傷”的項(xiàng)目開展。

該項(xiàng)研究也是全球首例基于力學(xué)重編程原理的高效能干細(xì)胞外泌體制備技術(shù)IIT。

其研究結(jié)果顯示：與普通方法相比，通過該技術(shù)培養(yǎng)的干細(xì)胞外泌體對子宮內(nèi)膜厚度增加具有明顯促進(jìn)作用。

目前,該臨床技術(shù)已進(jìn)入中試階段，預(yù)計(jì)在不久的將來就會開始進(jìn)行規(guī)模化量產(chǎn)。

寫在文末

從再生醫(yī)學(xué)的角度來看，該技術(shù)為干細(xì)胞治療提供了全新的思路與方法——通過精確調(diào)控干細(xì)胞所處的力學(xué)微環(huán)境，提高干細(xì)胞治療的效果。

而從疾病治療的角度，子宮內(nèi)膜損傷的有效研究，為其他組織損傷的修復(fù)提供了借鑒，在骨組織、神經(jīng)組織、心肌組織等的再生與修復(fù)中，都可以嘗試運(yùn)用類似的力學(xué)調(diào)控手段，提高干細(xì)胞治療的精準(zhǔn)性和有效性。

在全球細(xì)胞治療產(chǎn)業(yè)從"細(xì)胞1.0"（簡單移植）向"細(xì)胞2.0"（功能編程）邁進(jìn)的關(guān)鍵期，中國憑借力學(xué)調(diào)控等一系列底層技術(shù)創(chuàng)新，正從"跟跑者"轉(zhuǎn)變?yōu)?領(lǐng)跑者"。一個(gè)由臨床需求牽引、工程化思維驅(qū)動、全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同的細(xì)胞治療新生態(tài)，正在改寫全球生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的格局。

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