2020年8月12日，來自香港大學(xué)機械工程系Barbara Pui Chan教授在“Biomaterials”發(fā)表了“Mechanically induced formation and maturation of 3D-matrix adhesions (3DMAs) in human mesenchymal stem cells”的學(xué)術(shù)論文。該論文主要研究機械信號對干細胞調(diào)節(jié)的分子機制，發(fā)現(xiàn)用機械主動刺激能夠主動調(diào)節(jié)細胞-材料界面上的細胞-基質(zhì)相互作用。

                                                                             產(chǎn)品：整合素aV ELISA Kit           

                                                                             貨號：SEB282Hu                                 

                                                                             實驗方法：雙抗夾心                                      

                                                                             檢測范圍：0.156-10ng/mL

研究簡介：

    機械信號對干細胞的命運有著至關(guān)重要的影響。周期性拉伸可以增加間充質(zhì)干細胞（Mesenchymal stem cells, MSCs）的增殖，也可導(dǎo)致骨髓MSCs的心肌細胞分化的增加。細胞-基質(zhì)黏附是細胞外基質(zhì)和肌動蛋白細胞骨架之間的跨膜連接。它們由細胞外基質(zhì)蛋白，整合素簇和膜下黏附蛋白（支架蛋白和細胞內(nèi)信號蛋白）聚集而成。但是大部分細胞-基質(zhì)黏附的研究都集中在2D中，沒有對細胞形成黏附進行2D與3D的區(qū)分。因此，細胞-基質(zhì)黏附和相關(guān)蛋白在3D上的調(diào)控機理仍有待探尋。

    局部復(fù)合體（Focal complexes, FCs）是細胞附著時形成的早期瞬時接觸，在外力的作用下可發(fā)展成黏著斑。黏著斑作為整合素αV移位形成纖溶性粘連（fibrillar adhesions, FBAs）錨點，而這一過程依賴于肌球蛋白的收縮性。FBAs已被證明能夠進一步成熟為一種3D基質(zhì)粘連（3DMAs）的獨特類型。在功能性組織中，細胞-基質(zhì)相互作用是調(diào)節(jié)干細胞命運的重要手段。本研究旨在探討在不同細胞-基質(zhì)黏附的形成和成熟，與整合素相關(guān)的信號通路以及信號通路在干細胞命運的影響中機械負荷的作用。首先，作者測試了動態(tài)的壓力對FAs形成的影響。

    首先使用對hMSC-collagen進行短期負荷并且進行整合素αV的結(jié)合實驗區(qū)測試負荷是否能增加整合素結(jié)合。結(jié)果顯示在3D環(huán)境下動態(tài)負荷可以增加嵌入在膠原基質(zhì)中的細胞內(nèi)整合素結(jié)合。之后，作者為了了解動態(tài)壓力是否能激發(fā)整合素通路，將整合素αV、黏著斑激酶（FA kinase, FAK）和FAKp- Y397共染色以了解它們在壓力下募集FAs的能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在對照組中FAK和FAKpY397在胞質(zhì)區(qū)表達最多，整合素αV呈小點狀表達在細胞外圍；而實驗組中，F(xiàn)AK和整合素αV的共定位呈點狀，這表明在壓力條件下FA形成以及FAK募集，F(xiàn)AKpY397與整合素αV共定位暗示著壓力能誘導(dǎo)FAK通過整合素αV磷酸化。同時，對機械敏感的胞內(nèi)蛋白長春花素在對照組中以小離散點的形式廣泛表達，并沒有與整合素αV共定位，而實驗組中長春花素與整合素αV共定位在大點中，這表明長春花素募集FAs。為了弄清FAKpY397在受到壓力后的時空定位，作者將hMSCs封裝在3D微組織中施壓10分鐘并加載5分鐘后收集樣本。值得注意的是，F(xiàn)AK遠離FAs，在核周區(qū)域集中成大斑，壓縮時間增至30分鐘的結(jié)果也如此。這些結(jié)果說明在撤掉機械信號后，活化的FAK可能從FAs釋放到胞漿中激活其下游信號通路。作者注意到一些由壓力誘導(dǎo)的整合素αV形態(tài)上像小泡，這提示著壓力誘導(dǎo)的整合素αV簇通過網(wǎng)格蛋白依賴途徑被內(nèi)吞，從而導(dǎo)致下游信號事件的發(fā)生。FAKpY397可能與整合素αV一起被內(nèi)吞，并通過核內(nèi)小體轉(zhuǎn)運到核周區(qū)域。

    YAP能直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄和介導(dǎo)細胞機械反應(yīng)，因此是熟知的機械轉(zhuǎn)化器。作者發(fā)現(xiàn)，在對照組中YAP主要在細胞質(zhì)表達，而實驗組中，壓迫后的一分鐘YAP在主要在細胞質(zhì)表達，壓迫后的五分鐘，YAP在許多細胞核內(nèi)被觀察到。種種數(shù)據(jù)表明，YAP介導(dǎo)的信號以稍延遲的方式觸發(fā)。之后，作者研究了FAK在壓力刺激的YAP激活上的作用。在使用了FAK抑制劑后，發(fā)現(xiàn)YAP核內(nèi)定位減少。添加YAP抑制劑后顯著影響了ANKRD1基因的表達，但CTGF表達沒有線性變化，這說明壓力誘導(dǎo)的核內(nèi)YAP通過共同轉(zhuǎn)錄活性上游安排下游靶基因。

    在研究了短期壓力的影響后在，作者對長期壓力的影響做了探究。作者驗證了大多是細胞在每天5h的壓力下能夠存活7天。當hMSCs包被在3D膠原環(huán)境中不受加載時，細胞形成一些小的不能成熟為3DMAs的整合素αV簇。將微組織受壓每天5h，并分別觀察1d、3d、5d、7d時整合素αV、纖連蛋白、樁蛋白共定位以通過免疫熒光染色明確3DMA的特征。

    對照組中，整合素αV在細胞質(zhì)中分散成小點，纖連蛋白在細胞周邊表達，樁蛋白在細胞表面與部分纖連蛋白共定位，這說明細胞沒有形成3DMAs。實驗組受壓1d后，纖連蛋白和樁蛋白與對照相同，但整合素αV沒有和纖連蛋白、樁蛋白共定位。有趣的是，受壓3d后，細胞開始形成增長的整合素αV黏附并與纖連蛋白、樁蛋白共定位。值得注意的是，這些黏附在受壓5d-7d后變得更長，意味著3DMAs的形成。這些結(jié)果說明長期動態(tài)壓力可誘導(dǎo)hMSCs中的3D膠原基質(zhì)的適應(yīng)性變化，特別是整合素αV的成熟以形成3DMAs。作者也發(fā)現(xiàn)，機械刺激可增強ECM蛋白沉積，這對3DMAs是至關(guān)重要的。

干細胞是生命的起源細胞，人體內(nèi)所有的組織和器官都是由干細胞分化而來。理論上，任何組織器官出現(xiàn)了損傷，都可以由干細胞來進行修復(fù)。