美国科学家发现，故意改变细胞的含水量调控细胞体积，影响细胞的硬度，这可能影响干细胞分化的方向，这一发现将大大影响未来干细胞在治疗中的应用。

这项由麻省理工（MIT）Guo Ming博士和哈佛大学David Weitz博士领导的研究表明，在不考虑微环境的情况下，从小鼠间充质干细胞（MSC）中除去水分使细胞缩小，其改变细胞的硬度并促使细胞分化为一种细胞类型，而向细胞中加入水则会引起它们膨胀并分化为另一种细胞类型。这项研究的结果为我们了解和应用干细胞的生物学特性增加了全新的思路。研究发表在美国科学院院报（PNAS），题为“Cell Volume Change through Water Efflux Impacts Cell Stiffness and Stem Cell Fate”。

细胞体积受到严格的调控，且影响许多细胞功能。细胞的体积在细胞生命周期的过程中发生变化，并随着细胞膜的生长以及蛋白质、DNA和其他细胞内容物质的增加而变大。然而，细胞还可以在短短几分钟内通过吸收或释放水分在大小和密度上发生快速变化。哈佛大学和麻省理工学院的这项最新研究最初着重于了解体积对细胞特性和功能的影响，但他们现在不仅确定了细胞体积和细胞刚度之间的直接关系，还发现了细胞体积与细胞分化的命运有关。

将细胞铺展在基质上，其体积减小，而刚度增加。细胞伴随着水分的流出体积减小，大分子物质聚集。相反，限制细胞展开的区域导致细胞体积增加。为了测试细胞体积和细胞硬度是否也可能影响干细胞的分化命运，研究人员给细胞提供支持干细胞分化成骨细胞或脂肪细胞的生长培养基。首先，他们将正常小鼠的间充质干细胞置于模拟骨细胞的刚性的硬化水凝胶底物中，在这种环境下，他们惊讶的发现细胞倾向于发育成为前骨细胞。然而，当培养条件变为低渗时，细胞吸收水分并膨胀，即使它们仍然处于刚性基质中，但它们更倾向于分化成前脂肪细胞。类似地，在软水凝胶基质上生长的小鼠间充质干细胞倾向于分化成前脂肪细胞，但是除去细胞水分使其体积减小时，它们表现出分化成前骨细胞的倾向。结果表明，我们可以通过改变干细胞的体积来影响它们分化为成骨细胞或成脂细胞的命运。

在最后一组实验中，研究人员调查了诱导分化方向的化学因素是否也会触发细胞体积的变化。他们在软化水凝胶上培养小鼠间充质干细胞（细胞通常偏向于往脂肪细胞分化），然后在培养媒介中加入推动细胞分化成骨细胞的物质，在进行成骨分化的过程中甚至分化过程开始之前，细胞体积也出现减少。相反的，在刚性底物上培养的间充质干细胞在化学诱导下形成脂肪细胞时体积增加。研究人员指出，这些结果表明细胞体积和干细胞分化强烈相关。

皮层细胞和浆体细胞的体积（刚度）受多种因素的影响，这其中包括不同的底物刚度，细胞的延展面积和外部的渗透压。而这项研究的观察结果揭示了细胞刚度/体积与细胞生理之间存在着令人惊讶的关系，而这种关系以前我们都不知道，这将强烈影响到细胞生物学的发展。麻省理工学院机械工程系Guo Ming教授表示：“我们第一次开始了解到细胞体积和细胞含水量对细胞机械性能和生理功能也存在着重要的影响作用。”哈佛大学工程与应用科学学院Weitz教授则认为：“这些实验观察到细胞体积似乎对细胞有着异乎寻常重要的影响。这令人十分惊讶！所以以后我们知道细胞体积不仅决定了细胞的刚度，更决定了细胞的命运。这些发现以后也可能用于人为干预细胞的分化，这对未来的生物技术来说非常重要。”

参考资料：

1、Ming Guo, Adrian F. Pegoraro, Angelo Mao, Enhua H. Zhou, Praveen R. Arany, Yulong Han, Dylan T. Burnette, Mikkel H. Jensen, Karen E. Kasza, Jeffrey R. Moore, Frederick C. Mackintosh, Jeffrey J. Fredberg, David J. Mooney, Jennifer Lippincott-Schwartz, and David A. Weitz. Cell volume change through water efflux impacts cell stiffness and stem cell fate. PNAS, September 2017 DOI:10.1073/pnas.1705179114

2、Amount of water in stem cells can determine its fate as fat or bone

3、Manipulating Water Content in Stem Cells Influences Differentiation Fate