水，能改变干细胞命运

研究发现，改变细胞体积会影响细胞的内部动态，如外表面矩阵排列刚度等。对干细胞来说，去除水分，细胞皱缩，干细胞变为僵硬的前骨细胞。增加水分，细胞膨胀，干细胞变为柔软的前脂肪细胞。

很早以前，人们就发现干细胞会受周围细胞影响，能根据周围细胞基质硬度来推断自己的功能应该是什么。

这项由MIT机械工程系d'Arbeloff助理教授Ming Guo博士和哈佛大学工程和应用科学学院Mallinckrodt物理和应用物理学教授David Weitz博士领导的研究证实了天然环境对干细胞行为和发育过程起重要调节作用。

“为我们理解干细胞生物学对再生医学的应用增加了一个新工具，”共同作者、纽约州立大学水牛城分校口腔医学学院、口腔生物学系助理教授Praveen Arany说。

“我们首次开始认识到细胞体积和细胞水含量对其生理功能和机械性能的重要性，”郭博士说，他曾是Weitz博士的研究生。

骨头和脂肪只有一线之隔

在细胞的一生中，体积变化不仅频繁且受高度调节，生长时体积增加，分裂时体积减少。这项研究最初是为了了解体积对细胞特性和功能的影响。

体积变化是细胞内蛋白质、DNA等物质数量变化的结果，尽管大部分这些物质都是保持不变的。通过吸收或释放水，细胞明显而快速地经历着膨大和缩小的极端变化。

减少或增加细胞20%含水量，研究人员发现，细胞内部也经历了一些变化，如基因表达和刚度等。

已知细胞刚度影响干细胞发育，研究人员开始怀疑细胞体积是否也会影响干细胞命运。

为了测试这个猜测，研究人员首先把正常体积的干细胞放在硬化的水凝胶基质上，一周后，大部分干细胞都发育成了前骨细胞（pre-bone cells）。

用软化水凝胶基质重复实验，前骨细胞数量明显下降。但是，当研究人员把细胞含水量下调20%后，躺在软化水凝胶基质上的干细胞决定增加前骨细胞分化数量。

研究人员又使用更硬的玻璃作为干细胞培养基质，结果是极少有细胞发育成前脂肪细胞（pre-fat cells），通过提高20%含水量，细胞体积增大后，脂肪细胞的发育出现高涨。

“这是一个令人吃惊的观察结果，细胞体积通过影响细胞内部刚度，在很大程度上影响了细胞命运，”Weitz说。对细胞命运决定来说，人工模拟的实验条件与自然环境压力应该有类似的效果。“这一新发现可能会对生物技术应用起重要作用。”

再生医学

干细胞是再生医学的前沿哨兵，为研究人员和临床医生提供了修复或替换受损组织的基本材料。由于它们具有特化为任意细胞的潜能，因此，具备治疗全身上下各类组织器官疾病的潜力。例如，已被广泛应用的骨髓移植就是干细胞治疗的一种形式。

了解干细胞分化的原因，将有助研究人员开发影响它们行为的各种方法，最终引领新型治疗手段。

根据目前研究现状，已知的可影响干细胞分化的手段包括：细胞刚度、体积等物理信号，药物、生物物理制剂等化学物质，光、超声和射频等等。如今，“水含量”也成为了干细胞诱导分化的可用条件。