编程力学信号，让干细胞变“听话”

干细胞在人体的微观世界里并不是孤立存在的，它们生活在一个复杂的微环境中，与周围的细胞和细胞外基质相互作用，这种相互作用不仅仅是物理意义上的“接触”，更是一种信息的交流。

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干细胞的“第六感”

干细胞会通过感知这些力学信号，从而决定自己是继续分裂、分化成某种特定细胞，还是保持“待命”状态。

这种力学感知能力就像是干细胞的“第六感”，让它们能够敏锐地察觉周围环境的变化，并做出对应的反应。

西安交通大学林敏教授团队2021年发布于《Nature Communications》（《自然通讯》）上的一篇名为“Mechanics-driven nuclear localization of YAP can be reversed by N-cadherin ligation in mesenchymal stem cells”的文章便详细阐释了这种现象的发生机制。

干细胞可以通过感知细胞外基质（ECM）的刚度、几何形状和拓扑结构来决定自己的分化方向。例如，较硬的基质会促使干细胞向成骨细胞分化，而较软的基质则会引导它们向脂肪细胞分化。

这种感知能力的核心在于一种名为YAP的蛋白质。

YAP是一种转录共激活因子，它在细胞核中的定位决定了干细胞的命运。当细胞感受到较硬的基质时，YAP会进入细胞核，激活一系列基因表达，最终导致成骨分化。而当细胞感受到较软的基质时，YAP则会滞留在细胞质中，促使脂肪分化。

YAP的核定位一方面会指导分化方向，一方面其本身具有“机械记忆”：长期暴露于硬基质的干细胞会形成YAP的核记忆，即使转移到软基质中，这种记忆也可能不可逆。

这种记忆的形成机制类似于细胞对外界信号的“学习”，它让干细胞能够“记住”过去的力学环境，并在未来的分化过程中优先选择相应的路径。

干细胞在发育的早期阶段，会更多地与周围的细胞接触，而不是与细胞外基质接触。这些细胞-细胞相互作用（通过N-cadherin蛋白介导）与细胞-细胞外基质相互作用（通过整合素介导）共同影响干细胞的命运。

那么，这两种相互作用如何在动态变化的环境中协同调控干细胞的力学感知呢？

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力学“模拟器”

为了回答这个问题，林敏教授团队开发了一种基于DNA的细胞培养平台，这个平台能够根据指令，动态地改变细胞所感受到的粘附信号，并利用DNA的特性，将两种重要的细胞粘附分子RGD（模拟细胞与细胞外基质的相互作用）和HAVDI（模拟细胞与细胞之间的相互作用）连接到一个水凝胶上。

进一步的，研究人员可以根据需要随时添加或移除这些粘附分子，通过特定的DNA链，来控制RGD和HAVDI的呈现与消失。

这样一来，就可以模拟细胞在生物体内所经历的力学微环境变化。该设计不仅灵活，而且无损，不会对细胞或水凝胶造成破坏。

通过这种方式，研究人员可以实时调控细胞所感受到的力学信号，从而研究这些信号如何影响干细胞的行为。

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RGD与HAVDI的对决

通过这个可编程的平台，研究人员发现了一些非常有趣的现象。

当细胞与RGD结合时，它们会激活一种叫做Cofilin的蛋白质的磷酸化。磷酸化后的Cofilin会促进细胞核周围一种叫做“顶帽状肌动蛋白纤维”的结构形成。

这种结构会挤压细胞核，使得一种名为YAP的蛋白质更容易进入，而YAP一旦进入细胞核，就会启动一系列的基因表达，最终导致干细胞向成骨细胞方向分化。

倘若细胞与HAVDI结合，情况则会截然相反。

更有趣的是，这个过程并不是静态的，当他们改变RGD和HAVDI的呈现比例时，干细胞的反应也会随之动态调整。

这意味着，通过精确控制这些力学信号，我们有可能像指挥交通一样，引导干细胞的分化方向。

两种粘附分子就像是一对正在决斗的“皇家剑客”，在细胞的力学感受过程中相互竞争、相互调节。它们的“博弈”，决定了细胞会如何响应外界的力学信号，进而影响细胞的命运。

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从实验室到临床

基于这些发现，林敏教授团队开发了一种基于力学重编程原理的干细胞、干细胞外泌体制备技术，即N-Cell制备技术。

传统干细胞及外泌体制备技术采用培养皿，虽然具备操作简单、成本低、便于观察等优点，但仍存在一定的局限性：

• 细胞生产效率低：平面生长，空间利用率低，无法规模量产。

• 细胞效能差：扩增过程导致干性丢失，细胞密度低，信号传递少，细胞分泌物多用于自身维稳，分泌功能差。

• 可设计性差：平面培养与体内的三维环境不同，影响细胞的生长、分化和功能表达。

而N-Cell制备技术显著改善了干细胞、外泌体的效能及外泌体的内容物，研究结果表明，该技术：

• 恢复了干性标志物的表达；

• 将外泌体的分泌数量提高了2倍；

• 促进了目标细胞的生物功能。

这一创新性可编程的、动态的细胞培养体系逾越了传统培养方式存在的干性丢失、细胞分离、细胞损伤等技术壁垒，在不改变基因组的情况下，提高了效能和产率。

因此，该项研究也成功获得了第四军医大学唐都医院医学伦理委员会的伦理审查批件，正式从实验室走向临床，于空军军医大学第二附属医院的生殖医学中心正进行“力学工程化脐带来源干细胞外泌体修复子宫内膜损伤”的项目开展。

该项研究也是全球首例基于力学重编程原理的高效能干细胞外泌体制备技术IIT。

其研究结果显示：与普通方法相比，通过该技术培养的干细胞外泌体对子宫内膜厚度增加具有明显促进作用。

目前,该临床技术已进入中试阶段，预计在不久的将来就会开始进行规模化量产。

写在文末

从再生医学的角度来看，该技术为干细胞治疗提供了全新的思路与方法——通过精确调控干细胞所处的力学微环境，提高干细胞治疗的效果。

而从疾病治疗的角度，子宫内膜损伤的有效研究，为其他组织损伤的修复提供了借鉴，在骨组织、神经组织、心肌组织等的再生与修复中，都可以尝试运用类似的力学调控手段，提高干细胞治疗的精准性和有效性。

在全球细胞治疗产业从"细胞1.0"（简单移植）向"细胞2.0"（功能编程）迈进的关键期，中国凭借力学调控等一系列底层技术创新，正从"跟跑者"转变为"领跑者"。一个由临床需求牵引、工程化思维驱动、全产业链协同的细胞治疗新生态，正在改写全球生物医药产业的格局。

* 文章内容仅供参考，不构成任何建议

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来源/ 部分信息整理自网络编辑/ RainForest出品/ 云上细胞团队