斯坦福医学院的研究人员记录了一种以前未知的干细胞运动方式，他们将其命名为“细胞翻滚”，这种运动可能有助于干细胞分化。
生物工程博士生马尼什·阿尤斯曼（Manish Ayushman）在实验室观看了超过一千小时的显微镜下干细胞视频。起初，这些细胞看起来似乎没有什么特别的动作。但当阿尤斯曼仔细观察时，他注意到它们在缓慢地转动和脉动。
当他加快视频速度时，这些动作变得更加明显：每个干细胞似乎都在有目的地摇摆和震动。
11月1日发表在《自然材料》（Nature Materials）杂志上的一篇论文中，阿尤斯曼和他的斯坦福医学院同事描述了这种先前未知的细胞运动方式。与已知的细胞运动类型（如扩展和迁移，这些过程需要数小时到数天）不同，细胞翻滚相对较快，只需几秒到几分钟。
“我们仍在探索细胞实际上是如何翻滚的，以及为什么它们会这样做，因为它们花费了大量的能量在这个过程中，”阿尤斯曼说。
加速视频比较了滑动水凝胶中翻滚的干细胞（左）和传统凝胶中无法翻滚的干细胞（右）。
该研究建议，翻滚有助于干细胞完成它们最著名的任务——转变为不同的细胞类型。它还表明，分化不仅依赖于化学信号（这是研究人员通常在实验室中诱导干细胞分化的方法），还依赖于物理信号。
“我们正在发现细胞翻滚如何改变细胞感知和响应来自其微环境的物理力量的方式，以及这如何改变它们的分化结果，”该研究的高级作者、骨科手术和生物工程副教授范阳（Fan Yang）博士说。
范阳的实验室致力于开发基于生物材料的疗法，以再生因疾病或衰老而丢失的人体组织。在这项新研究中，她的团队专注于将干细胞转化为软骨。
“软骨是人体中最常见的受伤组织之一，但其再生能力非常有限，”范阳说。
为了在类似于体内条件的三维环境中研究细胞，研究人员将它们嵌入小管的水基凝胶中。但传统用于此目的的刚性凝胶限制了细胞的运动。范阳的实验室开发了一种新的凝胶，称为滑动水凝胶，这种凝胶足够柔软，可以允许较小的局部细胞运动。
在早期的一项研究中，他们惊讶地发现，嵌入新型滑动凝胶中的干细胞比嵌入传统凝胶中的干细胞更快地分化为软骨。
“这是一个非常显著的差异，”阿尤斯曼说。“这激发了我们的好奇心，我们决定深入研究。”
经过一千多小时的细胞视频录制和多次实验后，研究人员相信这种差异归结于细胞翻滚。
他们发现，翻滚主要发生在分化的前四天，整个分化过程可能需要数周时间。在研究人员化学诱导干细胞分化为软骨后，那些在关键时期内不受干扰地自由翻滚的干细胞最终形成了最多的软骨。任何在前四天内对翻滚的干扰都会导致较少的软骨形成。
研究小组还发现，虽然整个细胞都在翻滚，但细胞内的细胞核经历了最大的运动，就像洗衣机中的衣物一样。这使研究人员猜测，翻滚是否会影响细胞核内DNA的转录方式。
在细胞核内，长链DNA被包装成称为染色质的束，这些束可以松散缠绕，使更多的DNA可供转录，也可以紧密缠绕，限制转录。
“干细胞以其开放的染色质状态而闻名，因为它们应该能够分化为多种谱系，”阿尤斯曼说。“但为了承诺特定的谱系，它们需要压缩染色质——而细胞翻滚似乎有助于这一点。”
细胞核的摇晃可能将染色质调整为更紧密的束，从而将干细胞锁定在一个特定的命运。事实上，通过一种特殊的基因测序技术，研究人员确认翻滚的干细胞总体上具有更封闭的染色质，但在分化所需的选择区域有更多的访问权限。
他们还展示了细胞翻滚如何增强实验室中干细胞向其他组织（如骨骼和脂肪）的分化，尽管目前尚不清楚这种现象是否在人体内自然发生。最终，研究人员希望将这一新发现转化为更有效的方法，利用患者自身的干细胞生成替代软骨和其他组织。
尽管研究团队最终选择了“细胞翻滚”这一术语，但这些运动可能比名称所暗示的更加精心编排。诱导向不同谱系分化的干细胞以独特的方式移动。对范阳来说，即将成为软骨的细胞似乎在不停地旋转，而即将成为骨骼的细胞则来回摆动，即将成为脂肪的细胞则像踢踏舞一样在原地振动。
(全文结束)
