最近，哈佛大學John A. Paulson工程與應用科學學院（SEAS）、Wyss生物啟發工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）的研究人員，開發出一種新的、更精確的方法，來控制干細胞向成骨細胞的分化。這種新技術在骨骼的再生、生長和愈合方面，具有廣闊的應用前景。這項研究由SEAS的Robert P. Pinkas教授帶領完成，發表在近期的《Nature Materials》。

一個細胞的微環境——組織內圍繞和連接細胞的蛋白質和聚合物網絡，影響一系列的細胞行為，包括干細胞分化。約十年，研究人員已經能夠通過調整其微環境的剛度，來指導干細胞的命運。

只調整細胞微環境（也被稱為細胞外基質）的剛度，是假設環境表現得就像一個彈性材料，如橡膠。當在一個彈性材料上施加壓力讓其變形時，彈性能量被儲存，當變形釋放時，材料反彈到原來的形狀，就像一個橡膠帶。但是，在自然界中，細胞外基質不是彈性的，它們是粘彈性的。粘彈性的材料，如口香糖，當作用一個壓力時，隨著時間的推移會放松應力和消散能量。

Mooney和他的團隊決定通過開發具有不同應力松弛反應的水凝膠，來模擬活體組織的粘彈性。當他們將干細胞放在這個粘彈性的微環境中，并調整凝膠放松的速度后，他們觀察到，細胞的行為和分化發生了劇烈變化。

本文共同第一作者、Mooney實驗室博士后Luo Gu指出：“我們發現，隨著應力的增加，特別是結合水凝膠的剛度增加，成骨細胞的分化增加。隨著應力松弛，干細胞到脂肪細胞的分化減少。這是我們第一次在三維中觀察到，基質應力松弛對干細胞分化有何影響。”

增加應力松弛不僅顯著增加了早期成骨細胞的分化，而且在這些細胞最初分化后，它們繼續生長成骨細胞，并形成一個相互關聯、富含膠原蛋白的礦化基質，這是骨骼的骨結構特征。

Mooney表示：“這項工作不僅對再生生物學提供了新的見解，而且允許我們設計某種材料，積極地促進組織再生。”

本文共同第一作者、Mooney實驗室以前的博士后Ovijit Chaudhuri表示，快速松弛的微環境可促進更多的骨生成，并形成骨骼，原因在于這些模型可能機械地重建基質，更容易改變形狀。

Chaudhuri說：“想象一下，你被困在一塊橡膠中。每一次移動都受到橡膠彈性的對抗。但如果不是橡膠，而是被困在橡皮泥中，它的松弛應力很快，是可塑的，你就可以重塑膩子并左右移動。在我們的實驗中，我們發現，更快的應力松弛可允許顯著不同的細胞形態。”

這似乎違反了“骨細胞需要快速松弛的環境以生長為骨骼”的直覺，因為骨骼是非常堅硬和彈性的。然而，研究小組觀察到，骨折周圍的微環境，與研究小組在實驗室開發的快速松弛水凝膠，是非常相似的。

Gu說：“凝固的骨髓和骨折血腫，是粘彈性的，并且有快速應力松弛的表現。這可能是一個跡象表明，在自然環境中，當骨折愈合時，它需要一個非常快的應力松弛基質，以協助骨形成。”

研究的下一階段是，在體內測試快速松弛的水凝膠，以探究它們是否促進骨愈合。

Mooney說：“這項工作將一個新的概念引入到力生物學和再生醫學領域，除此之外，我希望它將帶來大量新的研究思路，研究其他一些材料力學性能如何影響細胞的行為。”