Mængden af ​​vand i stamceller kan bestemme dens skæbne som fedt eller knogle

Tilføjelse eller fjernelse af vand fra en stamcelle kan ændre cellens skæbne, forskere har opdaget i en ny undersøgelse offentliggjort i går i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

Forskningen fandt, at ændring af volumen af ​​en celle ændrede dens indre dynamik, inklusive stivheden af ​​matrixen, der forer den ydre overflade. I stamceller, fjernelse af vand kondenserer cellen, påvirke stamcellerne til at blive stive præ-knogleceller, mens tilsætning af vand får cellerne til at svulme, danner bløde præfedtceller.

Forskere har længe forstået, at stamceller påvirkes af cellerne omkring dem, opfanger signaler om, hvad deres funktion skal være baseret på stivheden af ​​matricerne i naboceller.

Resultaterne, imidlertid, bekræfte, at naturen spiller lige så meget en rolle som pleje i stamcellernes adfærd og udvikling.

"Resultaterne fra denne undersøgelse tilføjer et fascinerende nyt værktøj til vores forståelse og udnyttelse af stamcellebiologi til regenerativ medicin, " siger Praveen Arany, DDS, PhD, medforfatter og adjunkt ved Institut for Oral Biologi på Universitetet ved Buffalo School of Dental Medicine.

Undersøgelsen blev ledet af Ming Guo, PhD, d'Arbeloff Adjunkt i afdelingen for maskinteknik ved Massachusetts Institute of Technology; og David Weitz, PhD, Mallinckrodt professor i fysik og anvendt fysik ved John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences ved Harvard University.

"For første gang, vi begynder at forstå vigtigheden af ​​cellevolumen og cellulært vandindhold i cellernes mekaniske egenskaber og fysiologiske funktioner, " siger Guo, som begyndte forskningen som kandidatstuderende i Weitzs laboratorium på Harvard.

Grænsen mellem knogle og fedt

Forskningen søgte oprindeligt at forstå virkningerne af volumen på en celles karakteristika og funktioner. Cellevolumen er stærkt reguleret og ændrer sig hyppigt i løbet af en celles liv, stigende som cellen vokser og faldende når den deler sig.

Disse ændringer i volumen er et resultat af variationer i mængden af ​​protein, DNA og andre materialer i cellen, selvom de for det meste forbliver konstante. Men celler kan også opleve hurtige og ekstreme ændringer i størrelse og tæthed gennem absorption eller frigivelse af vand, spredes eller krymper på så lidt som 20 minutter.

Ved at øge eller mindske cellevolumen med 20 procent, efterforskerne fandt ud af, at cellerne oplevede flere indre ændringer, herunder i genekspression og stivhed.

At kende den rolle, cellestivhed spiller i udviklingen af ​​stamceller, forskerne begyndte at spekulere på, om cellevolumen også kunne påvirke deres skæbne.

For at teste præmissen, efterforskere placerede stamceller i deres normale volumen i et hærdet hydrogelsubstrat for at simulere stivheden af ​​knogleceller. Efter en uge, en stor del af stamcellerne udviklede sig til præ-knogleceller.

Forsøget blev gentaget med et blødgjort hydrogelsubstrat. I de blødere omgivelser, der var et signifikant fald i antallet af stamceller, der blev præ-knogleceller. Imidlertid, når vand blev fjernet fra cellerne for at reducere deres volumen med 20 procent, antallet af stamceller, der blev præ-knogleceller, steg, på trods af at den er i det blødere underlag.

Et lignende eksperiment blev udført med glas. Forskere placerede stamceller på glas for at simulere et stivere miljø og fandt ud af, at få af cellerne udviklede sig til præ-fedtceller. Først da stamcellernes volumen blev øget med 20 procent, blev der konstateret en stigning i dannelsen af ​​fedtceller.

Efterforskerne opdagede, at ændring af cellernes volumen fik dem til at opføre sig på samme måde, som om de var under pres fra omgivelserne.

"Det overraskende ved disse eksperimenter er observationen af, at volumen ser ud til at være relateret til så meget ved cellen. Det ser ud til at diktere cellens stivhed såvel som cellens skæbne, " siger Weitz, også et kernefakultetsmedlem af Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og direktør for Materials Research Science and Engineering Center ved Harvard.

"Disse observationer kan også have implikationer i eksterne metoder til at overvåge celleskæbne, hvilket kan være vigtigt for fremtidige biotekapplikationer."

Fremtidige undersøgelser er nødvendige for at undersøge virkningerne af forskellige ændringer i volumen, samt om cellevolumen eller eksterne signaler er den dominerende faktor i stamcellernes skæbne.

Fremtiden for regenerativ medicin

Stamceller er på forkant med regenerativ medicin, give forskere og klinikere potentialet til at reparere eller erstatte beskadiget væv og organer.

Med evnen til at udvikle sig til enhver type specialiseret celle - fra en muskelcelle til en rød blod- eller hjernecelle - har stamceller potentialet til at behandle forskellige sygdomme og tilstande, fra hjertesygdomme til tandtab. Knoglemarvstransplantation, en form for stamcelleterapi, er allerede i udbredt brug.

Stamceller kan også hjælpe med udvikling af lægemidler og forståelsen af, hvordan kræft og fødselsdefekter opstår.

At lære, hvad der forårsager differentiering mellem disse celler, vil hjælpe forskerne med at generere metoder, der påvirker deres adfærd og, ultimativt, udvikle nye terapier.

Bortset fra fysiske tegn som cellestivhed eller volumen, stem cell differentiation can be influenced by a number of biological factors, pharmaceutical drugs or biophysical agents, såsom lys, ultrasound and radio frequencies.