基于生物力學(xué)的干細(xì)胞調(diào)控及相關(guān)物理性質(zhì)的測(cè)定

陳以勝 李曉紅 張 賽

綜述

基于生物力學(xué)的干細(xì)胞調(diào)控及相關(guān)物理性質(zhì)的測(cè)定

陳以勝 李曉紅 張 賽△

干細(xì)胞移植對(duì)許多疾病有治療作用，但移植部位微環(huán)境的改變會(huì)影響干細(xì)胞的生長(zhǎng)、遷移及分化等一系列進(jìn)程。目前對(duì)化學(xué)微環(huán)境如缺氧、神經(jīng)生長(zhǎng)因子、某些離子等的研究較為深入，并形成了相應(yīng)的針對(duì)臨床的治療措施，但對(duì)移植相關(guān)的物理微環(huán)境知之甚少，對(duì)損傷相關(guān)的機(jī)械力、基質(zhì)彈性和硬度等力學(xué)因素的調(diào)控及檢測(cè)有待進(jìn)一步研究。本文就力學(xué)微環(huán)境對(duì)干細(xì)胞的影響以及相關(guān)物理指標(biāo)的測(cè)定方法進(jìn)行綜述。

干細(xì)胞；細(xì)胞外基質(zhì)；力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)；原子力顯微鏡

干細(xì)胞巢指干細(xì)胞所處的局部微環(huán)境構(gòu)成，一般包括干細(xì)胞的相鄰細(xì)胞、黏附分子及基質(zhì)等，可以將它定義為一種結(jié)構(gòu)與功能的綜合體，維持著局部組織的穩(wěn)態(tài)、促進(jìn)損傷后組織的修復(fù)與再生[1]。干細(xì)胞巢通過(guò)不同信號(hào)途徑調(diào)控著干細(xì)胞的行為，維持著細(xì)胞之間信息交換、細(xì)胞與基質(zhì)的黏附以及各種生物化學(xué)信號(hào)傳遞等一系列過(guò)程，使干細(xì)胞的自我更新和分化處于平衡狀態(tài)[2]。即使沒(méi)有生物化學(xué)因素的參與，基質(zhì)的硬度、細(xì)胞表面的形貌以及細(xì)胞所受的外力等力學(xué)因素也能調(diào)控干細(xì)胞的生長(zhǎng)、遷移及分化[3]。

1 細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）與干細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境的關(guān)系

ECM是組織的重要成分，主要由膠原、糖蛋白、蛋白聚糖等構(gòu)成，為一種含水膠狀物，它由細(xì)胞本身所分泌，為細(xì)胞生長(zhǎng)、黏附、增殖、分化、形態(tài)及基因表達(dá)提供力學(xué)支撐[4]。ECM對(duì)細(xì)胞功能及分化方式具有調(diào)節(jié)作用，并為體外培養(yǎng)的干細(xì)胞提供微環(huán)境，因此在組織工程學(xué)上可以此為基礎(chǔ)制作二維或三維培養(yǎng)基對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)[5]。

ECM對(duì)干細(xì)胞的力學(xué)微環(huán)境具有調(diào)節(jié)作用，而力學(xué)微環(huán)境的改變也會(huì)反過(guò)來(lái)影響ECM。Mauch等[6]率先研究力學(xué)微環(huán)境對(duì)ECM成分表達(dá)的影響，他們將細(xì)胞分別置于堅(jiān)硬的二維培養(yǎng)基質(zhì)和彈性相對(duì)較大的三維膠原凝膠中培養(yǎng)，并比較ECM的組成成分及相關(guān)調(diào)節(jié)酶的表達(dá)，研究發(fā)現(xiàn)，彈性較大的三維培養(yǎng)基比硬度較大的二維培養(yǎng)基中成纖維細(xì)胞的膠原表達(dá)量明顯降低；在三維膠原支架中培養(yǎng)的細(xì)胞，其表達(dá)α1（Ⅰ）、α2（Ⅰ）和α1（Ⅲ）型膠原蛋白的mRNA水平均降低；而在硬度較小的三維膠原支架中培養(yǎng)的細(xì)胞，其膠原蛋白酶活性大大增強(qiáng)。基質(zhì)的硬度不僅影響ECM成分，還會(huì)影響與這些成分沉淀及相互結(jié)合有關(guān)的其他參數(shù)[7]。由此可見(jiàn)，細(xì)胞所處的力學(xué)微環(huán)境可調(diào)節(jié)細(xì)胞本身對(duì)ECM成分的分泌，而ECM成分的改變反過(guò)來(lái)影響細(xì)胞所處微環(huán)境的力學(xué)性質(zhì)，比如硬度或彈性。正常生理情況下，人體細(xì)胞與其所處的在體環(huán)境之間保持著一種力學(xué)穩(wěn)態(tài)，因此細(xì)胞可維持正常的性質(zhì)和功能。同樣，干細(xì)胞的存活、增殖和分化也需要特定的生長(zhǎng)環(huán)境，在一定程度上可以對(duì)這種力學(xué)環(huán)境進(jìn)行干預(yù)，以促進(jìn)干細(xì)胞的增殖并引導(dǎo)其向不同方向分化[8]。

人間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSCs）的形態(tài)及分化方式對(duì)生存環(huán)境極其敏感。首先，基質(zhì)的硬度能控制MSCs的命運(yùn)，Engler等[9]通過(guò)模擬在不同硬度的培養(yǎng)基中培養(yǎng)離體MSCs，觀察各種條件下細(xì)胞的分化，發(fā)現(xiàn)MSCs培養(yǎng)基彈性越接近大腦組織的彈性（0.1～1 kPa），多數(shù)能向神經(jīng)細(xì)胞分化，隨著基質(zhì)硬度的增加，則更多向脂肪組織或骨組織進(jìn)行分化，該研究指出，雖然基質(zhì)彈性不是干細(xì)胞分化的最終決定因素，但對(duì)其過(guò)渡到早期的發(fā)展譜系具有一定引導(dǎo)作用。其次，細(xì)胞形態(tài)會(huì)影響干細(xì)胞。McBeath等[10]通過(guò)應(yīng)用微縮成像技術(shù)調(diào)控細(xì)胞的形狀和細(xì)胞變形（攤開(kāi)）的程度，然后在二維環(huán)境下進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)MSCs在接觸變形（攤開(kāi)）的情況下大多分化為骨細(xì)胞，而在無(wú)形態(tài)變化的圓形情況下多數(shù)分化為脂肪細(xì)胞，其又發(fā)現(xiàn)RhoA是在自然條件下調(diào)控細(xì)胞形狀的因子，進(jìn)而證實(shí)了細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞骨架及RhoA信號(hào)共同調(diào)節(jié)MSCs的分化。而之后有研究在三維培養(yǎng)條件下進(jìn)行了類(lèi)似的研究，得出與此相悖的結(jié)論[11]。有研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用電子束曝光技術(shù)描述細(xì)胞表面形貌圖時(shí)，相關(guān)形貌圖的改變也會(huì)影響干細(xì)胞的分化[12]。此外，某些機(jī)械力也通過(guò)調(diào)節(jié)干細(xì)胞轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）或鈣調(diào)蛋白等基因的表達(dá)，進(jìn)而影響干細(xì)胞的分化命運(yùn)[13]。

2 模擬干細(xì)胞在體生長(zhǎng)環(huán)境

對(duì)干細(xì)胞的培養(yǎng)及研究通常是在一種模擬人體組織環(huán)境的二維培養(yǎng)基或三維培養(yǎng)基進(jìn)行。前者在過(guò)去應(yīng)用比較多，比如在不同彈性模量的聚丙烯酰胺水凝膠上培養(yǎng)細(xì)胞，以明確其生長(zhǎng)及分化情況。Robert等[14]較早對(duì)這一培養(yǎng)方法進(jìn)行試驗(yàn)，并通過(guò)宏觀力學(xué)方法測(cè)定水凝膠的彈性模量。隨后Engler等[15]不斷改進(jìn)這一方法，并從宏觀的彈性拉伸儀和微觀的原子力顯微鏡兩個(gè)角度對(duì)彈性模量進(jìn)行描述，較之前更為精確。由于通過(guò)單丙烯酰胺和雙丙烯酰胺的不同濃度配比可以合成不同彈性模量的聚丙烯酰胺水凝膠，因此這一材料在研究生物力學(xué)對(duì)干細(xì)胞的影響方面應(yīng)用比較普遍。

二維培養(yǎng)環(huán)境中生長(zhǎng)的細(xì)胞因受到單純牽張力或壓縮力的影響，不能模擬真實(shí)的人體組織環(huán)境，因此在研究機(jī)械力學(xué)對(duì)細(xì)胞的影響及相關(guān)的力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制方面受到一定限制。目前有許多研究應(yīng)用三維支架針對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，并通過(guò)調(diào)節(jié)力學(xué)載荷和基質(zhì)硬度來(lái)觀察細(xì)胞的生長(zhǎng)情況，已經(jīng)取得較好的效果，證明了三維支架在體外培養(yǎng)細(xì)胞方面的優(yōu)勢(shì)[11]。三維培養(yǎng)環(huán)境中培養(yǎng)基的力學(xué)性質(zhì)可隨細(xì)胞的生長(zhǎng)變化而改變，同時(shí)細(xì)胞也能感受ECM的硬度變化并作出相應(yīng)的反應(yīng)，如生長(zhǎng)狀態(tài)、形態(tài)、遷移和分化等均可能發(fā)生改變。有研究發(fā)現(xiàn)，隨著三維微環(huán)境硬度的變化，MSCs的分化方式也發(fā)生相應(yīng)改變，比如在彈性模量為11～30 kPa的培養(yǎng)基中，MSCs大部分向成骨細(xì)胞分化，在彈性模量為2.5～5.0 kPa的培養(yǎng)基中則多向脂肪細(xì)胞分化，而在更軟的培養(yǎng)條件下，可能向神經(jīng)元進(jìn)行分化。相比之前的應(yīng)用二維培養(yǎng)基質(zhì)所進(jìn)行的細(xì)胞研究，細(xì)胞的命運(yùn)與其形態(tài)并不相關(guān)，基質(zhì)的硬度通過(guò)調(diào)節(jié)整合素的結(jié)合以及黏附配體的重新組合而發(fā)生變化[16]。然而，ECM在三維微環(huán)境下具體對(duì)干細(xì)胞起到怎樣的作用及其潛在的生物物理機(jī)制仍需要進(jìn)一步探討。

聚乙烯醇、明膠、殼聚糖等都曾用于干細(xì)胞的三維培養(yǎng)，殼聚糖及其衍生物制備的海綿支架對(duì)細(xì)胞遷移和神經(jīng)軸突再生有重要作用，其相容性好，物理性狀接近腦組織，力學(xué)特性和損傷組織相似，具有一定的黏彈性和抗壓性能[17]，易使細(xì)胞在其表面附著生長(zhǎng)，因此在神經(jīng)組織工程領(lǐng)域具有較廣闊的應(yīng)用前景[18]，在研究顱腦創(chuàng)傷（traumatic brain injury，TBI）后干細(xì)胞腦內(nèi)原位移植方面也具有重要意義。

3 干細(xì)胞力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制

細(xì)胞與ECM之間的相互作用是真核細(xì)胞生物學(xué)的核心[19]，因此，操控著細(xì)胞生長(zhǎng)命運(yùn)的實(shí)質(zhì)上是以物質(zhì)體系為基礎(chǔ)的細(xì)胞與胞外物質(zhì)的相互作用，尤其是自然條件下ECM中包含的整合素結(jié)合配體[20]。不論細(xì)胞受到何種機(jī)械力（如牽張力、剪切力或壓縮力等）作用，其力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機(jī)制類(lèi)似，三維基質(zhì)中力學(xué)感受蛋白及黏附結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變是完成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程的基礎(chǔ)[21]。細(xì)胞表面的整合素和ECM中的一系列相關(guān)蛋白是細(xì)胞黏附復(fù)合物的重要組成成分，整合素是由1條a鏈和1條b鏈組成的二聚體，充當(dāng)ECM中某些成分的受體，這兩條鏈的結(jié)合方式有20余種，不同的結(jié)合物作為特定ECM配體的受體參與力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中。以整合素為基礎(chǔ)的黏附復(fù)合物是一種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，它是信息從ECM傳遞到細(xì)胞所必需的[22]。當(dāng)整合素與配體結(jié)合后，一方面導(dǎo)致細(xì)胞骨架重排、微絲蛋白構(gòu)象改變，最終與染色體接觸引起細(xì)胞功能改變；另一方面激活FAK，F(xiàn)AK磷酸化后激活其下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，如Ras∕MAPK途徑，繼而活化轉(zhuǎn)錄因子和AP-1家族，導(dǎo)致細(xì)胞增殖的改變[23]。由于整合素缺乏酶的活性，它只能在ECM和細(xì)胞骨架上的肌動(dòng)蛋白或其他信號(hào)蛋白之間起物理連接作用，如此便形成ECM-整合素-細(xì)胞骨架這個(gè)連接模式[24]，除了上述基本結(jié)構(gòu)，還有許多信號(hào)分子也參與到力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中，比如FAK、JNK、Ca2+和最近研究發(fā)現(xiàn)的YAP和TAZ等[23]。激活細(xì)胞膜力敏感離子通道使細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高，可導(dǎo)致細(xì)胞明顯增殖，由于Ca2+是力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中重要的第二信使，研究人員由此認(rèn)為Ca2+動(dòng)員增強(qiáng)是導(dǎo)致細(xì)胞增殖增強(qiáng)的一個(gè)重要因素[25]。觸動(dòng)G蛋白偶聯(lián)的酪氨酸激酶磷酸化與MAPKs調(diào)節(jié)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)也被認(rèn)為是機(jī)械載荷刺激干細(xì)胞后的一個(gè)信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[26]。當(dāng)然，雖然存在著多條不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，但它們之間是密切聯(lián)系的，這表明在感受應(yīng)力刺激的過(guò)程中需要的是整個(gè)細(xì)胞的參與，而不可能只依賴于單一的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。

4 對(duì)細(xì)胞表面形貌、微觀力學(xué)及組織彈性的測(cè)定

原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）可實(shí)時(shí)測(cè)量生理狀態(tài)生物樣品分子間作用力的動(dòng)態(tài)變化，如化學(xué)基團(tuán)間的作用力、受配體作用、DNA互補(bǔ)鏈和核苷堿基間的氫鍵、運(yùn)動(dòng)蛋白質(zhì)間的相互作用等，進(jìn)而綜合研究生理環(huán)境中的各種生物樣品的微觀性質(zhì)[27]。它具有高分辨率，對(duì)振幅及方向的精確控制，對(duì)細(xì)胞和組織損傷小，能描述細(xì)胞表面的形態(tài)并與細(xì)胞發(fā)生相互作用等特點(diǎn)，是唯一能讓研究人員獲得高清的細(xì)胞表面形貌數(shù)據(jù)、控制細(xì)胞所受的作用力、測(cè)量細(xì)胞彈性并調(diào)控存活細(xì)胞彈性模量的工具，主要分接觸式與敲擊式兩種模式[28]，后者在細(xì)胞研究中更常用。

當(dāng)原子力顯微鏡懸臂梁上的針尖靠近細(xì)胞或基質(zhì)表面進(jìn)行水平掃描成像時(shí)，針尖隨著表面的起伏而改變高度，從而得到細(xì)胞或培養(yǎng)基質(zhì)的表面形貌圖像[29]，在研究細(xì)胞形態(tài)學(xué)上具有很大優(yōu)勢(shì)。如果將針尖相對(duì)樣品在豎直方向來(lái)回運(yùn)動(dòng)，在力譜測(cè)量過(guò)程中系統(tǒng)通過(guò)一系列轉(zhuǎn)化可繪得力-距離曲線[30]，既可以得到牽引力、表面張力等微觀力學(xué)指標(biāo)，又可間接得到彈性模量值。它已被廣泛用于測(cè)量存活神經(jīng)元以及腦組織切片的彈性模量，根據(jù)不同測(cè)量目的，選擇不同AFM的針尖。若要測(cè)得組織團(tuán)塊的彈性模量，一般選用圓頭的針尖；若要測(cè)量細(xì)胞表面定點(diǎn)作用力或細(xì)胞的彈性模量，則應(yīng)選擇錐型針尖[31]。

除了原子力顯微鏡外，彈力試驗(yàn)機(jī)也可測(cè)量物體的彈性模量，但該儀器主要是從宏觀角度針對(duì)形狀規(guī)則的材料進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行拉伸或壓縮，根據(jù)施加的力及相應(yīng)的材料應(yīng)變程度，電腦繪制出相應(yīng)曲線圖，進(jìn)一步獲得彈性模量值，材料的厚度也可同時(shí)得出[32]。

5 展望

細(xì)胞生物力學(xué)目前倍受關(guān)注，在各種內(nèi)外機(jī)械因素影響下，尤其是在外傷性疾病中信息通過(guò)力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用于人體細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生一系列的病理生理變化，最終影響細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖、分化。顱腦創(chuàng)傷不僅會(huì)引起神經(jīng)細(xì)胞損害和神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙，而且通常伴隨腦水腫、顱內(nèi)高壓及腦組織彈性變化，治療比較棘手。亞低溫聯(lián)合溫敏干細(xì)胞移植對(duì)促進(jìn)TBI后神經(jīng)功能恢復(fù)作用在之前研究中已得到證實(shí)[33]，這種聯(lián)合治療方式不僅能保證較高的移植干細(xì)胞存活率，而且增加了干細(xì)胞的增殖和向神經(jīng)元分化的能力。由于亞低溫可降低腦組織代謝率，在一定程度上可能改善顱腦創(chuàng)傷后缺氧所致的腦水腫，筆者據(jù)此推斷亞低溫通過(guò)改善腦組織的力學(xué)微環(huán)境，進(jìn)一步調(diào)節(jié)移植干細(xì)胞的增殖、凋亡和分化情況，這可能是干細(xì)胞移植的一種力學(xué)機(jī)制。在之前的研究基礎(chǔ)上，可以通過(guò)測(cè)定相關(guān)物理指標(biāo)對(duì)該力學(xué)微環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，殼聚糖及凝膠等生物材料的研發(fā)，也為體外模擬細(xì)胞在體環(huán)境提供技術(shù)支撐，為下一步干細(xì)胞的三維培養(yǎng)和力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及其相應(yīng)治療措施的研究奠定基礎(chǔ)。

[1]Walker MR,Patel KK,Stappenbeck TS.The stem cell niche[J].J Pathol，2009,217(2):169-180.

[2]Moore KA,Lemischka IR.Stem cells and their niches[J].Science，2006,311(576):1880-1885.

[3]Castillo AB,Jacobs CR.Mesenchymal stem cell mechanobiology[J]. Curr Osteoporos Rep，2010,8(2):98-104.

[4]Badylak SF,Freytes DO,Gilbert TW.Extracellular matrix as a biological scaffold material:structure and function[J].Acta Biomater，2009,5(1):1-13.

[5]Badylak SF.Regenerative medicine and developmental biology:the role of the extracellular matrix[J].Anat Rec B New Anat,2005,287 (1):36-41.

[6]Mauch C,Hatamochi A,Scharffetter K,et al.Regulation of collagen synthesis in fibroblasts within a three-dimensional collagen gel[J]. Exp Cell Res,1998,178(2):493-503.

[7]Carver W,Goldsmith EC.Regulation of tissue fibrosis by the biomechanical environment[J].BioMed Res Int,2013,2013:101979.

[8]Bai LP,Yang RF,Li F,et al.The research of neuron-like cells induced from different sources of mesenchymal stem cells[J].Tianjin Med J,2011,39(12):1091-1094.[白麗萍，楊瑞芳，李芳，等.不同來(lái)源間充質(zhì)干細(xì)胞定向誘導(dǎo)為神經(jīng)樣細(xì)胞的研究[J].天津醫(yī)藥, 2011，39(12)：1091-1094.]

[9]Engler AJ,Sen S,Sweeney HL,et al.Matrix elasticity directs stem cell lineage specification[J].Cell,2006,126(4):677-689.

[10]McBeath R,Pirone DM,Nelson CM,et al.Cell shape,cytoskeletal tension,and RhoA regulate stem cell lineage commitment[J].Dev Cell,2004,6(4):483-495.

[11]Huebsch N,Arany PR,Mao AS,et al.Harnessing traction-mediated manipulation of the cell∕matrix interface to control stem-cell fate [J].Nat Mater,2010,9(6):518-526.

[12]Dalby MJ,Gadegaard N,Tare R,et al.The control of human mesenchymal cell differentiation using nanoscale symmetry and disorder [J].Nat Mater,2007,6(12):997-1003.

[13]Kurpinski K,Chu J,Hashi C,et al.Anisotropic mechanosensing by mesenchymal stem cells[J].Proc Natl Acad Sci USA,2006,103 (44):16095-16100.

[14]Robert J,Pelham JR,Wang YC.Cell locomotion and focal adhesions are regulated by substrate flexibility[J].Proc Natl Acad Sci USA,1997,94（25）:13661-13665.

[15]Engler AJ,Bacakova L,Newman C,et al.Substrate compliance versus ligand density in cell on gel responses[J].Biophys J,2004,86 (1):617-628.

[16]Birla RK,Huang YC,Dennis RG.Development of a novel bioreactor for the mechanical loading of tissue-engineered heart muscle [J].Tissue Eng,2007,13(9):2239-2248.

[17]Mu Y,Chen NL,Peng W,et al.The effect of carboxymethyl chitosan thermosensitive hydrogel on proliferation of L929 cells[J].Tianjin Med J,2012,40(4):363-366.[穆玉，陳乃玲，彭偉，等.羧甲基殼聚糖溫敏凝膠對(duì)小鼠L929細(xì)胞增殖的影響[J].天津醫(yī)藥，2012，40(4)：363-366.]

[18]Maklad A,Kamel S,Wong E,et al.Develoment and organnization of polarity-specific segregation of primary vestibular afferent fibers in mice[J].Cell Tissue Res,2010,340(2):303-321.

[19]Geiger B,Bershadsky A.Exploring the neighborhood:adhesioncoupled mechanosensors[J].Cell,2002,110(2):139-142.

[20]Klees RF,Salasznyk RM,Kingsley K,et al.Laminin-5 induces osteogenic gene expression in human mesenchymal stem cells through an ERK-dependent pathway[J].Mol Biol Cell,2005,16(2):881-890.

[21]Dufort CC,Paszek MJ,Weaver VM.Balancing forces:architectural control of mechanotransduction[J].Nat Rev Mol Cell Biol,2011,12 (5):308-319.

[22]Roca-Cusachs P,Iskratsch T,Sheetz MP.Finding the wekestlink: exploring integrin-mediated mechanical molecular pathways[J].JCell Sci,2012,125(13):3025-3038.

[23]Obi S,Yamamoto K,Shimizu N,et al.Fluid shear stress induces arterial differentiation of endothelial progenitor cells[J].J Appl Physiol,2009,106(1):203-211.

[24]Pasapera AM,Schneider IC,Rericha E,et al.Myosin II activity regulates vinculin recruitment to focal adhesions through FAK-mediated paxillin phosphorylation[J].J Cell Biol,2010,188(6):877-890.

[25]Liu J,Zou L,Wang J,et al.Hydrostatic pressure promotes Wnt10b and Wnt4 expression dependent and independent on ERK signaling in early-osteoinduced MSCs[J].Biochem Biophys Res Commun, 2009,379(2):505-509.

[26]Saha S,Ji L,de Pablo JJ,Palecek SP.TGFbeta∕Activin∕Nodal pathway in inhibition of human embryonic stem cell differentiation by mechanical strain[J].Biophys J,2008,94(10):4123-4133.

[27]Franze K,Guck J.The biophysics of neuronal growth[J].Rep Prog Phys, 2010,73(9):094601.doi:10.1088∕0034-4885∕73∕9∕094601.

[28]Spedden E,Staii C.Neuron biomechanics probed by atomic force microscopy[J].Int J Mol Sci,2013,14(8):16124-16140.

[29]Dufrene YF.Atomic force microscopy,a powerful tool in microbiology[J].J Bacterial,2002,184(19):5205-5213.

[30]Franze K.Atomic force microscopy and its contribution to understanding the development of the nervous system[J].Curr Opin Genet Dev,2011,21(5):530-537.

[31]Spedden E,White JD,Naumova EN,et al.Elasticity maps of living neurons measured by combined fluorescence and atomic force microscopy[J].Biophys J,2012,103(5):868-877.

[32]Engler A,Bacakova L,Newman C,et al.Substrate compliance versus ligand density in cell on gel responses[J].Biophys J,2004,86 (1):617-628.

[33]Tu Y,Chen C,Sun HT,et al.Combination of temperature-sensitive stem cells and mild hypothermia:a new potential therapy for severe traumatic brain injury[J].J Neurotrauma,2012,29(14):2393-2403.

（2014-04-23收稿 2014-05-15修回）

（本文編輯 閆娟）

Regulation of Stem Cells Based on the Biomechanics and Measurement of their Associated Physical Properties

CHEN Yisheng,LI Xiaohong,ZHANG Sai△
Institute of Traumatic Brain Injury and Neuroscience of CAPF，The Affiliated Hospital of The Logistics University of CAPF，Tianjin 300162,China.
△

E-mail:zhangsai718@yahoo.com

Stem cells transplantation had been proved to be effective in many clinical diseases.However,microenvironment can influence their growth,migration and differentiation.Under chemical microenvironment,such as hypoxia,neural growing factors and different kinds of ions,stem cells had been intensively studied while little is known about their performance under physical microenvironment.The effects of mechanical forces,elasticity and rigidity of the matrix of stem cells are still to be further investigated.This article is to summarize how microenvironment controls the fate of stem cells and to review the measurement of the mechanical properties.

stem cells;extracellular matrix;mechanotransduction;atomic force microscope

R318

A

10.3969∕j.issn.0253-9896.2014.10.023

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（81271392，81301050）

武警部隊(duì)腦創(chuàng)傷與神經(jīng)疾病研究所，武警后勤學(xué)院附屬醫(yī)院（郵編300162）

△通訊作者 E-mail：zhangsai718@yahoo.com